1.3. HOE KOMT NATUURWETENSCHAPPELIJKE KENNIS TOT STAND?

INDEX
HOME PAGE

Wat natuurwetenschap precies is, valt niet zo eenvoudig te definiëren. Wel kun je proberen een omschrijving te geven. Natuurwetenschap is net als andere wetenschap een activiteit die bedreven wordt volgens bepaalde procedures en die tot doel heeft een bepaald (natuur ) fenomeen te verklaren en eventueel zelfs te voorspellen.

Op de vraag wat kennis eigenlijk is, valt evenmin een eenvoudig antwoord te geven. In de loop der tijd hebben filosofen daarover verschillende ideeën geformuleerd. Tegenwoordig beschouwt men kennis van een natuurfenomeen vooral als een afbeelding in onze hersenen van de werkelijkheid om ons heen. Zo’n afbeelding noemen we een (natuur)wetenschappelijk model. Die afbeelding is overigens altijd eenvoudiger dan de werkelijkheid. De werkelijkheid zelf is te ingewikkeld om echt gekend te worden.

Beelden van de werkelijkheid

Natuurwetenschappelijke kennis komt dus tot stand door via bepaalde procedures een vereenvoudigde afbeelding (model) van een natuurfenomeen te maken. Dit gaat stap voor stap waarbij het model steeds een beetje meer op de werkelijkheid gaat lijken (maar er nooit gelijk aan wordt).

De mensen die zich met natuurwetenschap bezighouden doen onderzoek op het gebied van de natuurkunde (fysica), scheikunde (chemie), biologie, geologie, astronomie, farmacie, kortom op het gebied der natuurlijke fenomenen, ook wel β-wetenschappen genoemd. De wiskunde valt hier niet onder omdat wiskundigen geen natuurfenomeen nodig hebben om wiskunde te bedrijven (afgezien dan van hun eigen verstand maar dat is gewoonlijk niet het onderwerp van hun onderzoek).

Natuurwetenschappers hebben dus in elk geval een stukje natuur nodig om onderzoek aan te kunnen doen en daarbij zullen ze er naar streven het model van dat stukje natuur steeds gedetailleerder te laten lijken op de werkelijkheid. Een natuurwetenschappelijk model kan vele vormen hebben. Het kan een tekening zijn of gewoon een beschrijving van een bepaald verschijnsel. Het kan ook een serie wiskundige formules zijn of een computersimulatie. Wat dacht je van een plattegrond, een maquette of een grafiek? Allemaal zijn het modellen van de werkelijkheid en tezamen kan een groep van dit soort modellen een theorie vormen over een stukje van de werkelijkheid. Een natuurweten-schappelijke theorie zelf trouwens ook op te vatten als een model.

Wie om zich heen kijkt neemt een grote verscheidenheid aan fenomenen waar. Sommige natuurlijke fenomenen vertonen regelmatigheden die door de natuurwetenschapper worden opgemerkt. Uit deze waarnemingen kan de wetenschapper afleiden dat het om een algemeen geldend verschijnsel gaat. De veralgemenisering van het verschijnsel noemen we een theorie of model. Theorie en model zijn afbeeldingen van de werkelijkheid.

Voorbeeld (1): Papier dat je met een lucifer aansteekt vat snel vlam. Daaruit kun je het beeld afleiden dat papier goed brandt. Als je een stuk papier echter flink nat maakt, wil het niet meer branden. Dat levert het beeld op dat natte dingen niet branden. Het beeld (theorie, model) is algemeen geldend: ook als je in plaats van papier iets anders brandbaars (hout, textiel, karton) goed nat maakt met water dan krijg je het niet aangestoken. De theorie (het model) voorspelt dat je een brandje met water kunt doven. Daar maakt de brandweer dankbaar gebruik van.


Opdracht:

  1. Bestudeer 1.5 Wat is( natuur)wetenschap? en 1.6 Kaarten of modellen uit je leerboek.
  2. Gegeven zijn:
    • Een auto van Lego
    • Een plattegrond van Amsterdam
    • Een foto van een huis
    • De waterkringloop (zeewater verdampt, vormt wolken waaruit neerslag valt, etc.) - V = i.R (de wet van Ohm)
    • Bij iedere levende soort is sprake van een mannelijke en een vrouwelijke vorm
    • H2O (een watermolecuul)
    Geef van ieder van deze 7 aan:
    (a) of je vindt dat hier sprake is van een model;
    (b) waarom je dit wel of niet vindt.
  3. Schrijf op waar je aan denkt bij het woord "model". Gebruik voorbeelden als toelichting
  4. Hoe zou je beschrijven wat een model is aan iemand die helemaal niet weet wat een model is?
  5. Waarvoor kun je modellen gebruiken bij de natuurwetenschappelijke vakken (natuurkunde, biologie, scheikunde)? Gebruik opnieuw voorbeelden als toelichting.
  6. Als je een model maakt of ontwerpt bij de natuurwetenschappelijke vakken, moet je dan altijd proberen om zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid te blijven? Geef voorbeelden.
  7. Als een wetenschappelijk model eenmaal is ontworpen, wordt het dan later nog veranderd? Zo ja, waarom vinden veranderingen plaats; zo nee, waarom niet?
  8. Denk je dat het mogelijk is dat natuurwetenschappers meerdere modellen gebruiken voor hetzelfde verschijnsel of "ding"? Waarom wel of niet?
Dr. Bogus, een geleerde die ik heb verzonnen, stelde jaren geleden de teen vingertheorie op. Die zegt dat met iedere teen en met iedere vinger een inwendig orgaan correspondeert. Zo correspondeert de lever met de rechter grote teen, het hart met de linker pink. De theorie zegt verder dat pijn in een vinger of teen verband houdt met afwijkingen in het orgaan dat ermee overeenkomt. Nadat Bogus zijn theorie had bedacht, ging hij die in zijn huisartsenpraktijk toetsen. Hij verzocht patiënten hun vingers op zijn bureau te spreiden. Op iedere vinger gaf hij een zorgvuldig gedoseerde tik met een hamertje. Met de tenen deed hij hetzelfde. Als de patiënt een kreet slaakte, werd genoteerd welke vinger of teen was aangedaan. Vooral linkerpinken bleken vaak gevoelig te zijn. Bogus vond wel twaalf keer een hartafwijking. Hij verwees de pinkpatiënten naar de cardioloog. Die werd daar op den duur wat narrig van. Kun je daar niet eens mee ophouden, zei hij, er is niets aan de hand met al die mensen die je doorstuurt. Bogus reageerde triomfantelijk. Die ouderwetse diagnostiek van jou is nu wel achterhaald, zei hij. Met mijn methode kun je 2blijkbaar subtiele afwijkingen vinden die de reguliere geneeskunde ontgaan. Einde van het verhaal. De werkwijze van Bogus is natuurlijk niet helemaal in orde. Hij had het volgende moeten doen. Uit de algemene hypothese dat bij linker pinkpijn het hart niet goed werkt, had hij voor iedere patiënt met de pijn de voorspelling moeten afleiden dat die een slecht functionerend hart heeft. De voorspellingen had hij moeten controleren door het hart te onderzoeken. Dat deed hij niet. In plaats daarvan leidde hij uit de hypothese af dat er hartafwijkingen waren. Hij veronderstelde dus de juistheid van de dingen die hij moest toetsen. In zijn werkwijze zit blijkbaar een logische cirkel verstopt. Bovendien beschouwde hij het bewijsmateriaal van de cardioloog, dat tegen de hypothese pleit, als een ondersteuning van zijn theorie. Dat kon hij doen door uit te gaan van de volgende ad hoc veronderstellingen, die zijn hypothese "redden": het gaat bij de patiënten om subtiele afwijkingen; de afwijkingen zijn met klassieke methoden niet op te sporen; de Bogus-methode kan ze wčl registreren. De veronderstellingen zijn dubieus omdat ze zonder toetsing uit de hoge hoed kwamen toen de hypothese gevaar liep.

De procedure

Soms hoor je wel eens zeggen dat iets onwetenschappelijk is. Wanneer een docent beweert dat je 50% kans hebt op een voldoende is dat behoorlijk onwetenschappelijk. Het is niets anders dan een veroordeling van je werkhouding. Ook gokkers hebben de neiging tot onwetenschappelijk gedrag. Als er met een dobbelsteen 10x achtereen geen zes is gegooid, verwacht men dat de kans op een zes is toegenomen. Die is echter onveranderd 16,7 % gebleven. Ook op andere gebieden kan men het predicaat ‘onwetenschappelijk’ tegenkomen. Dit is het geval bij pseudowetenschappen als parapsychologie, astrologie en eugenetica. In deze leergebieden wordt namelijk niet de juiste procedure gehanteerd.

Wat is ‘goede (natuur)wetenschap’? Een belangrijke voorwaarde om op juiste wijze natuurwetenschap te bedrijven is dat de natuurwetenschappelijke kennis tot stand komt volgens een aan regels gebonden procedure. De meest gevolgde procedure is de empirische cyclus, een steeds terugkerend aantal handelingen die aan de bestaande kennis telkens een beetje nieuwe kennis toevoegt. Een onderzoeker kan de hele cyclus doorlopen of zich bezighouden met delen ervan. De empirische cyclus ziet er in schema als volgt uit:



Alle wetenschap begint met verwondering:
Hoe komt het ...? Waartoe dient het ...? Wanneer ...? Wie ...? Hoe ...?
Om een antwoord te kunnen geven op een eerste vraagstelling verzamelt de natuurwetenschapper informatie die gebaseerd is op een groot aantal waarnemingen. Iemand kan zich erover verbazen dat sommige dieren kunnen vliegen en andere niet. Als natuurwetenschapper kun je jezelf de vraag stellen wat ervoor nodig is om te kunnen vliegen. Daarvoor verzamelt de onderzoeker een aantal vliegende dieren en constateert een bijzonder kenmerk: ze hebben allemaal veren! Uit dat gemeenschappelijke kenmerk kan de onderzoeker een hypothese ontwikkelen: om te kunnen vliegen, moet een dier veren hebben. Daarop kan zelfs een theorie worden gebaseerd: alle vliegende dieren hebben veren. Het proces om van een beperkte verzameling waarnemingen tot een algemeen geldende theorie te komen, noemen we inductie, of de inductieve fase in de empirische cyclus.

Sommige wetenschappers bedrijven hoofdzakelijk inductief onderzoek. Als ze dat goed doen ontdekken ze vroeger of later dat niet alle vliegende dieren veren hebben (insecten; vleermuizen). Ze moeten dan hun hypothese verwerpen en deze vervangen door een nieuwe: om te kunnen vliegen moet een dier vleugels hebben. Maar hoe weet je nu of de hypothese nu wel klopt? Daarover is het volgende afgesproken:

De theorie is waar zolang er geen dier wordt gevonden dat kan vliegen zonder vleugels.

De onderzoeker kan nu een stapje verder gaan. Vanuit de kennelijk algemeen geldende theorie kan hij een specifieke voorspelling doen: als ik wil vliegen moet ik vleugels hebben. En zo geschiede! Vele onderzoekers en avonturiers hebben zichzelf vleugels aangemeten en uiteindelijk lukte het de gebroeders Wright om een gevleugelde machine te bouwen waarmee daadwerkelijk kon worden gevlogen. Het proces om van een (veronderstelde) algemeenheid te komen tot een specifieke voorspelling noemen we deductie of de deductieve fase in de empirische cyclus.

Sommige wetenschappers bedrijven hoofdzakelijk deductief onderzoek. Om dat goed te kunnen doen moeten ze voortdurend experimenteren. Elk experiment (proef) levert een bepaald resultaat op en dat resultaat kan worden beschouwd als een nieuwe waarneming die bij de oorspronkelijke verzameling kan worden gevoegd en waarmee de theorie of de hypothese kunnen worden bijgesteld. Dit is duidelijk een cyclisch proces: een voortdurend herhalen van experimenteren, resultaten evalueren en vervolgens kleine wijzigingen aanbrengen die moeten bijdragen aan het uiteindelijk slagen van het experiment, nl. dat ik kan vliegen.

Voorbeeld (2): Onze waarnemingen dat nat papier niet brandt had tot de theorie geleid (inductie) dat natte dingen niet branden. Met deze theorie kunnen we voorspellen (deductie) dat je water kunt koken in een bakje dat is gemaakt van gevouwen papier. Als je het bakje boven een brander plaatst, zal het papier zo nat zijn dat het niet kan branden en het water in het bakje zal worden verwarmd. Vouw van papier een bakje en vul het met water enkele centimeters water. Plaats het dan boven een brandende vlam. Na enige tijd gaat het water koken. Of niet? Om daar achter te komen moet je het experiment uitvoeren.

Opdracht:

  1. Maak uit je hoofd een schematische weergaven van de empirische cyclus.
  2. Bedenk zelf voorbeelden van inductief onderzoek en van deductief onderzoek. Of is dit onderscheid niet te maken? Probeer in dat geval te verwoorden waar dat door komt.
  3. Raadpleeg in de mediatheek B. Dixon, Wetenschap en Samenleving, hoofdstuk 4: Ideeën in de Natuurwetenschap (blz. 51-60).

Hoe gaan natuurwetenschappers te werk?
Natuurwetenschappelijke kennis kan op verschillende manieren tot stand komen. Tegenwoordig gaan we ervan uit dat die kennis steeds begint met om je heen kijken. De ‘waarneming’ wordt tegenwoordig beschouwd als de basis van de natuurwetenschappelijke kennis. Maar in de klassieke oudheid dacht men daar anders over en ook nu nog zijn er wetenschappers die vinden dat kennis vooral tot stand komt door goed na te denken.

Anderen menen dat natuurwetenschappelijke kennis vooral tot stand komt door proefjes te doen, experimenten uit te voeren, de materie te manipuleren. Het zijn echte ‘doeners’ die onder het motto ‘kijken wat er gebeurt’ als alchemisten de basis voor de moderne chemie hebben gelegd.

De denkers uit de klassieke oudheid hebben een meer aristocratische achtergrond. Zij maakten hun handen liever niet vuil. Zij trachtten de natuurlijke fenomenen te begrijpen door middel van logische redenatie en met behulp van wiskundige modellen. Ze worden rationalisten genoemd en enkele bekende vertegenwoordigers zijn Pythagoras en Plato.

Hoewel Aristoteles al wees op het belang van de waarneming als grondslag voor de natuurwetenschappen, het zgn. empirisme, heeft het tot de renaissance geduurd voordat de empiristen erkenning vonden.

De moderne natuurwetenschapper is zelden strikt empirist of rationalist, laat staan alchemist, maar bewandelt tijdens het onderzoek trajecten die nu eens experimenteel, dan weer meer rationeel of empirisch van aard zijn.

Natuurwetenschappelijke kennis komt ook tot stand door de uitwisseling van visies en ideeën tussen wetenschappers onderling. Bestaande kennis leidt tot nieuwe vragen en het beantwoorden daarvan levert weer nieuwe kennis op. Bij dit proces spelen sociale aspecten een rol. Zowel vroeger als tegenwoordig wordt natuurwetenschappelijke kennis bewust aan de man gebracht. Via oraties, lezingen, publicaties, documentaires en talk-shows maken geleerden hun natuurwetenschappelijke visies wereldkundig. Wetenschappers kunnen een diametraal verschillende opvatting hebben over hetzelfde natuurlijke fenomeen. Dan komt het erop aan wie de meest overtuigende argumenten hanteert, wie het beste uit zijn woorden komt, wie de meeste charme uitstraalt. Dat is een niet te verwaarlozen factor want ook wetenschappers zijn maar mensen en sluiten zich het liefst aan bij de gedachtegang van die persoon die ook overigens de grootste aantrekkingskracht op hen uitoefent. Menig wetenschappelijk redenaar of auteur ontleent zijn roem niet in de laatste plaats aan zijn spreekvaardigheid of gewiekste sales-promotion.

Natuurwetenschappelijke kennis heeft soms iets van een verkoopartikel, vooral als die kennis nog niet zo goed onderbouwd is. De onderzoeker heeft iets ontdekt dat de moeite waard is om verder te onderzoeken, maar hij kan nog niet bewijzen of het allemaal wel klopt wat hij gevonden heeft. Dat laatste moet hij natuurlijk niet laten merken als hij om geld gaat vragen voor verder onderzoek. Integendeel, als hij geld wil krijgen – en natuurwetenschappelijk onderzoek is erg duur! – moet hij zijn voorlopige bevindingen zo overtuigend mogelijk verkopen. Soms leidt dat tot ‘slechte wetenschap’.

De wijze waarop natuurwetenschappers te werk gaan, hangt ook samen met de vragen de ze willen beantwoorden. Het fundament van alle wetenschap is nieuwsgierigheid en als wetenschappers vooral tot doel hebben om hun eigen vragen te beantwoorden – kennis om de kennis – spreken we van kennisgericht- of zuiver wetenschappelijk onderzoek. Een belangrijk kenmerk van dit soort onderzoek is dat het nut ervan vaak pas achteraf blijkt en de voornaamste drijfveer van de onderzoeker is een ‘zucht naar waarheid’.

Daartegenover staat het oplossen van een probleem waardoor iets nuttigs tot stand komt, bijvoorbeeld een technisch product of een medische behandeling. Dit soort onderzoek noemen we toegepast onderzoek en de voornaamste drijfveer van de onderzoeker – of zijn opdrachtgever – is het beheersen van de natuurlijke fenomenen.

Vaak bestaat wetenschappelijk onderzoek uit het controleren van eerder geformuleerde theorieën. Soms leidt een nieuwe waarneming of proef tot de bijstelling van een theorie maar meestal wordt de bestaande theoretische kennis bevestigd door voortdurende herhaling van waarnemingen of experimenten. Dit routine-onderzoek vereist veel geduld en nauwgezetheid van de onderzoeker.

Sommige onderzoekers moeten het vooral van de inspiratie hebben. Zij zijn creatief en bedenken nieuwe ideeën die vaak afwijken van gevestigde opvattingen. Als de verbeelding een voorname rol speelt in het tot stand komen van wetenschappelijke kennis spreekt men wel van fantasieonderzoek.

Het komt geregeld voor dat een onderzoeker iets ontdekt waarnaar hij eigenlijk niet op zoek was. Zo’n toevallige ontdekking vereist de nodige ontvankelijkheid van de onderzoeker want we hebben gewoonlijk de neiging om onze aandacht vooral te richten op datgene waarnaar we op zoek zijn. De toevallige ontdekking wordt ook wel serendipiteit genoemd.

Opdracht:
Bestudeer 1.2 Wetenschap uit je leerboek. Met welke archetypische onderzoeker voel jij je het meest verwant? (‘Geen van deze’ is geen optie)

Wetenschappelijke verklaringen

Natuurwetenschappelijke kennis komt onder meer tot stand doordat wetenschappers in staat zijn een natuurfenomeen te verklaren. Verklaringen van een natuurfenomeen kunnen echter een geheel verschillend karakter hebben. Als je het antwoord wilt weten op een bepaalde vraag stel je jezelf meestal de vraag waarom iets is zoals het is; bijvoorbeeld waarom klopt mijn hart?
Het antwoord luidt al gauw anders ga ik dood.

Natuurwetenschappers gaan anders te werk. Eerst moet duidelijk zijn wat er precies wordt gevraagd. Waarom is te vaag. Je kunt beter vragen waardoor of waarvoor.

Aristoteles heeft hierover een interessante verhandeling geschreven. Hij gebruikte als voorbeeld de schepping van een beeldhouwer en vroeg zich af: Wat is de verklaring van dit beeld, met andere woorden, waarom is dit beeld zoals het is? Hij gaf daarop vier verschillende verklaringen.

  1. De causa functionalis. Het beeld dient als eerbetoon aan de afgebeelde hoogwaardigheidsbekleder.
  2. De causa causalis. Het beeld is gemaakt in opdracht van de hoogwaardigheidsbekleder.
  3. De causa materialis. Het marmer bepaalt de structuur van het beeld.
  4. De causa formalis. Het ontwerp en de bekwaamheid van de beeldhouwer bepalen de uiteindelijke vorm van het beeld.
Op overeenkomstige manier kun je een verklaring geven voor het kloppen van je hart:
  1. Een doelgerichte of functionele verklaring. Je hart klopt om het bloed door je bloedvaten te laten stromen.
  2. Een causale of oorzakelijke verklaring. Je hart klopt omdat de sinusknoop voortdurend impulsen produceert.
  3. Een materiële verklaring. Je hart klopt omdat de spieren waaruit het hart bestaat zich regelmatig samentrekken.
  4. Een formele verklaring. Je hart klopt omdat dit is vastgelegd in het erfelijk materiaal in alle cellen waaruit je bent opgebouwd (blauwdruk).

Het is duidelijk dat deze verklaringen elk weer nieuwe vragen oproepen die weer op dezelfde gevarieerde manier kunnen worden verklaard. Zo blijft elk natuurlijk fenomeen een onuitputtelijke bron voor wetenschappelijk onderzoek.

Opdracht:
Geef vier verschillende verklaringen voor de stoel waarop je op dit moment zit.

Sommige natuurwetenschappers vinden dat natuurlijke fenomenen altijd oorzakelijk verklaard dienen te worden. In hun optiek kunnen alle processen voorspeld worden mits de positie en beweging van alle subatomaire deeltjes bekend zijn. Zij worden wel reductionisten genoemd omdat ze de natuur trachten te verklaren vanuit de kleinste deeltjes waaruit alles is opgebouwd.

Andere natuurwetenschappers prefereren een functionele verklaring, met name waar het gaat om inzicht in fenomenen die deel uit maken van een groter geheel. Zo kan een fenomeen verklaard worden vanuit de doelgerichte samenhang met andere fenomenen binnen hetzelfde systeem om dat systeem in stand te houden, bijvoorbeeld om het te laten overleven. Deze wetenschappers hanteren het beginsel van de synergie: het geheel is meer dan de delen. Ze worden tot de structuralisten gerekend.

Ook holisten stellen het geheel boven de delen maar in hun benadering verliezen ze nogal eens de wetenschappelijke methode uit het oog waardoor ze gerekend worden tot pseudo-wetenschappers


Paragraaf 4