DEMARCATIE IN DE NATUURWETENSCHAPPEN. Toetsbaarheid in principe en in de praktijk

Transcriptie

1 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)

2 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 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

4 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

5 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?