Wetenschap voor beginners

Inleiding

Wetenschap bestaat in soorten en maten. «De» wetenschap bestaat niet. De term wetenschap is slechts de verzamelnaam voor objectieve kennis en het speuren naar nieuwe objectieve kennis. Vele vragen zijn nog onbeantwoord. Nieuwe kennis ligt daarom voor het oprapen, is de eerste gedachte. Niets is echter minder waar. Met het blote oog zijn de meeste details niet waar te nemen. Slechts met dure apparaten kunnen we de kleinste bouwstenen zien of afleiden. Bovendien is het onmogelijk om de kleinste structuren tegelijkertijd in actie zien. Hierdoor begrijpen we de werking van het geheel vaak onvoldoende. Nieuwe kennis is hierdoor niet gemakkelijk te vergaren. Verder weten we niet wat we niet weten en kunnen daarom ook niet de goede vragen stellen. Hiernaast blijkt het zoeken naar de waarheid vaak ondergeschikt te zijn aan gevestigde belangen. Baanbrekende onderzoeken verdwijnen dan via een achterdeur. De theorie over de verschuiving van continenten van Alfred Wegener is hiervan een voorbeeld.

Soms is kennis algemeen geaccepteerd, soms is kennis niet meer dan een mening.
Op basis van objectiviteit – door iedereen aanvaarde kennis – is wetenschap in te delen in vijf domeinen van zekerheid, te weten abstracties, bouwstenen, leven, gedrag en evenwicht.

Abstracties

Formele abstracties(Ga een moderne browser gebruiken. Deze is te oud.)Het eerste domein bestaat uit abstracties die altijd geldig zijn. De abstracties vereenvoudigen het beschrijven van ingewikkelde processen en vormen vaak het fundament van de wetenschap. Voorbeelden zijn wiskunde en logica. Één plus één is altijd twee, nooit drie. Twee koeien plus twee koeien is vier koeien. Drie schapen plus drie schapen is zes schapen. Geen discussie over mogelijk.

Het fraaie van deze abstracties is de mogelijkheid om vergelijkingen om te zetten in nieuwe vergelijkingen. Vier koeien plus vier koeien is hetzelfde als zes koeien plus twee koeien. Door het herschrijven en vereenvoudigen van stellingen zijn nieuwe conclusies te trekken en vragen te beantwoorden. Zes schapen moeten met een boot naar de overkant van een kanaal. Hoeveel keer moet de boot heen en weer varen als er drie, vier of vijf schapen op de boot passen? En hoeveel als het koeien zijn?

Abstracties hoeven niet eenvoudig te zijn om waar te zijn. De abstracties kunnen zo ingewikkeld zijn dat vrijwel niemand de vergelijkingen kan volgen. Hoeveel mensen kunnen bijvoorbeeld Georg Cantor volgen in zijn ontdekking dat er meerdere vormen van oneindigheid bestaan? De ene groter dan de ander.

Elke vergelijking die door de wiskunde wordt bewezen, gaat door voor waar, ondanks het bewijs van Kurt Gödel dat de wiskunde zichzelf niet kan bewijzen.

Fysieke bouwstenen

Fysieke bouwstenen(Ga een moderne browser gebruiken. Deze is te oud.)Het tweede domein is de beschrijving van de bouwstenen van het universum en de wetten die daarbij gelden. Dit zijn de vakgebieden scheikunde en natuurkunde. In de scheidkunde zijn de eigenschappen van stoffen het best samengevat in het periodiek systeem der elementen. De elementen reageren onder gelijke omstandigheden altijd op dezelfde manier. De reacties zijn vrij gemakkelijk waarneembaar en nu goed begrepen.

De natuurkunde beschrijft de vier fundamentele natuurkrachten: elektromagnetische kracht, sterke kernkracht, zwakke kernkrachten en zwaartekracht. De combinatie van deze krachten leidt tot deeltjes die tezamen zorgen voor materie. Materie bestaat uit materiedeeltjes, krachtvoerendedeeltjes en massagevende deeltjes (Higgsboson). Drie modellen beschrijven deze materie. Newton beschrijft de klassieke mechanica op de aarde, Einsteins relativiteitstheorie beschrijft de krachten in het heelal en onder andere Bohr beschrijft in de kwantumtheorie de krachten op super kleine schaal. Het wachten is nog op een theorie die deze drie theorieën met elkaar verbindt.

De meeste materie is niet waarneembaar. De materie is te klein om waar te nemen, is niet af te leiden uit de bestaande modellen. Wat we wel weten, is dat we veel niet weten. Vanuit de vergelijking E=mc², energie is gelijk aan massa keer de lichtsnelheid in het kwadraat, is via grote omwegen af te leiden dat we in het heelal ongeveer twee derde deel van de massa en energie niet zien. Dit noemen we donkere materie en donkere energie. In de theoretische natuurkunde bestaat als gevolg hiervan veel discussie over de vraag hoe de ontbrekende deeltjes zijn te beschrijven.

De race naar het beste nieuwe verklarende model leidt tot vele theorieën, bijvoorbeeld snaartheorieën. Totdat een model bewijsbaar is, is het niet meer dan een idee. Waarneembaar staat in het tweede domein voor waar. Hoe fraai de theorie ook is, de waarneming van de voorspelling maakt de theorie pas waar. Einsteins relativiteitstheorie voorspelde dat licht massa heeft. Door waarnemingen tijdens een zonsverduistering in 1919 bleek dat Einstein gelijk had en werd zijn theorie in brede kring voor waar aangenomen. Is de voorspelling niet waarneembaar of niet eenduidig afleidbaar, dan blijft theorie niet meer dan een mening. We weten dat de huidige modellen niet volledig waar zijn, maar ze voldoen op en rond de aarde prima.

Fysieke werking van levensvormen

Leven(Ga een moderne browser gebruiken. Deze is te oud.)Het bijzondere van de aarde is dat op basis van de fysieke bouwstenen leven is ontstaan. Dit is het derde domein. De levensvormen bestuderen we in vakken zoals biologie en geneeskunde.
De basisprocessen van leven spelen zich op zo'n kleine schaal af dat het onmogelijk is om in één keer een compleet beeld te krijgen van alle levensprocessen. De meeste details zijn onbekend omdat het waarnemingsvermogen ontbreekt om de werking van de kleine bouwstenen van cellen af te leiden en te begrijpen. Toch leren we met vallen en opstaan steeds beter de werking van zelfs de kleinste levensprocessen te begrijpen.

Het vallen en opstaan brengt met zich mee dat de meeste nieuwe inzichten tien jaar later ingehaald zijn door nieuwe kennis. Dat is natuurlijk logisch, maar het knaagt wel aan de status van de oorspronkelijke ontdekkers. Verlies van status vinden mensen niet fijn. Daarom wringen ze zich in allerlei bochten om hun status te behouden. Totdat we de volledige werking van levensprocessen begrijpen, is het verstandig om voorzichtig te zijn met het omarmen van nieuwe inzichten.

«Het werkt» staat in het levensdomein voor waar. «Het werkt niet» staat voor onwaar. De uitleg waarom het werkt versterkt de theorie, maar komt wel op de tweede plaats. Aspirine werkt bijvoorbeeld, maar niemand weet waarom. Het is wel geaccepteerd als een goed medicijn. Het werkt en dat telt.

Gedrag van levensvormen

Gedrag(Ga een moderne browser gebruiken. Deze is te oud.)Het vierde domein is het gedrag van levensvormen. De scheidslijn tussen «werking» in domein drie en «gedrag» in domein vier is scherp te trekken door een voorspelling als criterium te benutten. Gedrag is dan het maken van een keuze op basis van een voorspelling. Werking reageert pas achteraf op een gebeurtenis. De gebruikelijke indeling is dat eencelligen, planten en schimmels geen gedrag vertonen. Planten open bijvoorbeeld hun blaadjes nadat de zon is opgekomen en vouwen die weer dicht nadat de zon is ondergegaan. Niet vooraf! Dieren en mensen zoeken in het algemeen voor zonsondergang een slaapplaats.
We maken een scherp onderscheid tussen het gedrag van dieren en mensen. Bestudering van dierlijk gedrag is een onderdeel van biologie of zoölogie. Menselijk gedrag bestuderen we in vakgebieden zoals filosofie, sociologie, psychologie, antropologie en geschiedenis. Dit scherpe onderscheid tussen dieren en mensen is niet onderbouwd en komt uit de lucht vallen. Mensen vinden zichzelf zonder onderbouwing beter en uniek.

Gedrag is uiterst flexibel en daardoor lastig te vangen in regeltjes en modellen. Mensen kunnen niet alleen reageren op gebeurtenissen, ze kunnen gebeurtenissen voorspellen en daar hun gedrag op aanpassen. Het onderzoeken van gedrag is hierdoor uitermate moeilijk. Mensen passen hun gedrag aan de omstandigheden aan en die is in de testsituatie vaak anders dan in de werkelijkheid. De herhaalbaarheid van de onderzoeken is hierdoor zeer beperkt. Elke situatie is net even anders en leidt tot ander gedrag.

Door de grote flexibiliteit is de “wetenschap” over het gedrag van mensen vaak niet meer dan een mening die verpakt is in “wetten”. Meestal is oversimplificatie de enige manier om een houvast te krijgen. Een onderzoeker deelt de mensen dan in in vier groepen, zes categorieën, … ,die netjes op één bladzijde passen. Dat begrijpt iedereen en verkoopt goed. Elke theorie over menselijk gedrag die op twee assen in een grafiek is af te beelden, is per definitie een oversimplificatie.

«Statisch onderbouwd en herhaalbaar» gaat door voor waar. En dat is (bijna) niets. De rest is een opvatting. Waar we tot nu toe aan voorbij gaan is dat gedrag niet te beschrijven is op de manier waarop we domein een en twee beschrijven. Deze eisen van in wezen voorspelbaarheid en waarneembaarheid zijn te beperkt.

Evenwichtssituaties

Evenwichtssituaties (Ga een moderne browser gebruiken. Deze is te oud.)Het vijfde domein is die van evenwichtssituaties. Hieronder vallen bijvoorbeeld het weer, de ecologie en economie. In het vijfde domein komen alle problemen van de vier voorliggende domeinen samen. Het is een moeilijk te begrijpen domein omdat de verbanden tussen alle variabelen onbekend zijn en veel onbegrip bestaat over de werking.
Dit domein wordt vaak misbruikt om eigen doelstellingen te realiseren omdat vele redeneringen geldig kunnen zijn. Dat is inherent aan een evenwicht. Stijgt de ene factor, dan daalt de ander om een nieuw evenwicht te bereiken.

Weerkunde is een vakgebied waarover veel tegenstrijdige meningen bestaan die extra lading krijgen door de grote geldstromen die ermee gemoeid zijn. Soms lijken de rapporten niet geschreven om de waarheid te verkondigen, maar om de budgetten te vergroten. We kunnen oeverloos debatteren en verliezen de waarheid daarbij uit het oog. Een willekeurig aantal vragen. Steeg de zeespiegel de afgelopen tienduizenden jaren door de toename van CO²? (Nee) Daalt de zeespiegel door de extra regens die de opwarming van de aarde veroorzaak en die het grondwater niveau (tijdelijk) in bijvoorbeeld Australië sterk verhogen. (Ja) Verandert de Sahara in een oerwoud door de extra regenval als de temperatuur twee graden stijgt? (Ja).

Na elke klimaatverandering passen de levensvormen zich aan bij de nieuwe omstandigheden. Sterft de ene soort en levensketen, dan bloeit een andere soort en levensketen. De ene zijn brood is de ander zijn brood. Meer ijsberen eten meer zeehonden. Dat is goed voor ijsberen, maar slecht nieuws voor zeehonden. Elke keer zorgt de natuur voor nieuw evenwicht.

Ook over het (simpele) vak economie bestaan veel misverstanden. De prijs van een artikel is het gevolg van evenwicht tussen vraag en aanbod. Een hoge prijs lokt meer productie uit. Een lage vraag zorgt voor minder productie. De prijs geeft een signaal af dat tot ander gedrag leidt. Bij voldoende concurrentie is niet de prijs belangrijk, maar de productiefaciliteiten en de vraag van de consumenten. Politici die roepen om prijsbeheersing snappen niet dat ze productiekosten moeten verlagen en de vraag moeten veranderen. Deze domme reactie komt keer op keer voor. Is het niet in Groot Brittannië waar prijsstijgingen voor energie eind 2013 verboden worden, dan is het wel in Venezuela. De Venezolaanse regering stuurde in 2013 militairen naar winkels om lagere prijzen of te dwingen. Dit leidde tot ernstige tekorten en tot nog hogere prijzen. Hoe dom kunnen we met elkaar zijn?

Economie heeft de naam ingewikkeld te zijn, door het grote aantal abstracties dat onderwezen wordt. Elke economische crisis toont echter aan dat het gedrag van mensen aan de basis staat van de economische beslissingen. Dat dit gedrag nauwelijks is begrepen, laat staan het economisch gedrag, mag de pret niet drukken. De abstracties kleunen vaak mis, zeker als de factor tijd om de hoek komt kijken. De waarde van de modellen is beperkt. Zolang we dat in het achterhoofd houden, zijn het goede hulpmiddelen om beslissingen te onderbouwen.

Het kenmerk van een evenwichtswetenschap is dat vrijwel elk model tegelijkertijd te bewijzen als te ontkrachten is. Wat goed is voor de een, is slecht voor de ander. Iedereen heeft gelijk en tegelijkertijd ongelijk. Daar schrijven we boeken vol over zonder een stap voorwaarts te zetten. Pas als we het evenwicht centraal zetten, is vooruitgang te boeken. Dan kunnen we aansluitend de grote woorden omzetten in constructief gedrag. Het is handig om vooraf het vierde domein over menselijk gedrag beter in kaart te brengen. Dat bespaart veel ellende.

«Voorspeld en na verloop van tijd uitgekomen» gaat in het vijfde domein door voor waar. Wijken de voorspellingen van de modellen af van de werkelijkheid dan zijn de modellen nog steeds waar, maar zijn de modellen onvolledig. In het evenwichtsdomein heeft immers niemand ongelijk. Weermodellen zijn hier een mooi voorbeeld van.

Net als in het domein van gedrag moet we extra eisen stellen aan de beschrijving van evenwichtssituaties die verder gaan dan wiskundige formules.

Extra problemen

Alle vijf domeinen bouwen voort op elkaar. Evenwicht bouwt voort op gedrag, het maken van keuzes is alleen mogelijk door levende wezens, leven is alleen mogelijk door de combinatie van materie, de vereenvoudigingen in abstracties maken de overdracht van kennis over materie mogelijk. Zo neemt de complexiteit elke keer toe en moeten we aanvullende eisen stellen aan objectieve kennis in elk domein. Een intrigerende uitdaging.

Naast de inhoudelijk problemen spelen ook allerlei menselijk factoren een rol bij het beschrijven van de werkelijkheid. De eerste complicerende factor is de menselijke aard. Veel mensen streven vooral naar roem, aanzien, status, positie en macht. Eerlijkheid als deugd staat vaak op een tweede plaats. Dit leidt tot een grote stroom frauduleuze handelingen en publicaties. Een willekeurig aantal voorbeelden:

Hiernaast willen de leidinggevenden graag goede sier maken met andermans werk. Studenten doen het moeilijke en lastige werk, de opdrachtgevers gaan er met de eer vandoor. Zie bijvoorbeeld

De meeste onderzoekers proberen verder de geldstroom voor eigen onderzoek zo groot mogelijk te maken. Dit levert meer inkomen op en een grotere kans op roem. Bekendheid en aanzien leveren in het algemeen meer geld op. Ze krijgen hierbij ondersteuning van uitgevers van wetenschappelijke tijdschriften die vooral kijken naar hun oplage. Bekende namen en nieuw, sensationeel onderzoek stuwen de verkoop op. Dat is goed voor de winst van de uitgeverijen. De geldverstrekkers – meestal de belastingbetalers, dus u en ik – mogen betalen en blijven zitten met de vraag hoe het bestede geld zo goed mogelijk ingezet kan worden. Voortdurend maken we de budgetten te krap en dit lokt weer nieuwe problemen uit.

Beperkte budgetten zorgen dat de onderzochte populatie vaak veel te klein is om een betrouwbaar antwoord te geven. Over de duim genomen zijn alle steekproeven kleiner dan 250 strekkingen niet betrouwbaar. Meer dan 250 patiënten onderzoeken is veel duurder dan 25 patiënten. Toch kiezen vele onderzoekers voor kleine populaties en dat zorgt voor statistische problemen. Zeker als de kans dat een uitslag toeval beneden de één procent moet blijven en niet vijf procent zoals we nu hanteren. De betrouwbaarheid van de onderzoeken is daardoor vaak onvoldoende om een harde conclusie te rechtvaardigen.1

Een bijkomend probleem is dat onze intuïtie vaak haaks staat op de statistieke werkelijkheid, waardoor de conclusies die we trekken vaak geheel onterecht zijn. Een mooi voorbeeld is het verband tussen baby's en ooievaars. Dat verband bestaat zelfs statistisch niet, maar is bedacht door de onderzoekers2. Hoewel iedereen weet dat een verschil bestaat tussen een verband en oorzaak en gevolg, trappen we keer op keer in de val om een verband aan te wijzen zonder het mechanisme te begrijpen. Het gebruik van statistiek lokt dit helaas uit.

Niet alleen het toewijzen van geld aan een project dat nog onbekende wetenschap moeten opleveren, is een probleem. Ook het inschatten van nieuwe kennis is een uitdaging op zich. Wie kan beoordelen of een verschijnsel echt is? Dat is vaak alleen mogelijk door deskundigen die zijn ingevoerd in het vakgebied. Ze moeten hiertoe de beschikking hebben over alle voorstellen, alle werkwijzen en alle resultaten. Dat is vrijwel nooit het geval. Door de missende gegevens zijn de meeste resultaten moeilijk te beoordelen en blijkt na tien jaar negentig procent van alle onderzoeken ingehaald te zijn door nieuwe kennis.

Vooruitgang

Ondanks alle problemen en uitdagingen staat de kennisgroei niet stil. We snappen steeds beter de eisen die we moeten stellen aan eerlijke wetenschap. Formulering van hypotheses, dubbelblinde proeven, placebo's en statistische methoden geven de onderzoekers houvast. De vooruitgang is niet te stoppen en staat pas in de kinderschoenen. De hoeveelheid kennis neemt gelukkig exponentieel toe.

Toch kunnen we de gelden veel beter besteden door voor domein vier en vijf aanvullende eisen te stellen.

In het gedragsdomein stellen we vijf aanvullende eisen. De eerste aanvullende eis is dat het doel van een mens vooraf moet gaan aan de uitleg van gedrag. Zonder doel is elk gedrag uit te leggen en statistisch te 'bewijzen', zonder dat de feitelijke geldigheid is aan te tonen. De tweede eis is de beschrijving van de opties die mensen hebben om hun doel te bereiken en selectie hiervan. Mensen kunnen plannen en hun acties voortdurend bijsturen om op koers te blijven. Elke gedragsbeschrijving moet rekening houden met deze terugkoppelingslus. De derde eis is het beschrijven van de leeftijd van de personen. De leeftijd bepaalt de capaciteiten om succes te boeken en leidt daarmee tot ander gedrag. De vierde eis is het uitdrukkelijk benoemen van de camerapositie. Kijken we van binnen naar buiten of van buiten naar binnen? Kijk ik naar de buitenwereld of kijkt de buitenwereld naar mij? De vijfde eis is dat een beschrijving voldoet aan de «regels voor abstracties».

In het evenwichtsdomein vijf zijn de extra eisen dat het model uitlegt welke factoren leiden tot een evenwicht en op welke wijze het gedrag in domein vier hier invloed op heeft. Het dient zowel de positieve effecten als de negatieve effecten van een nieuw evenwicht uitdrukkelijk te beschrijven.

Door extra eisen te stellen aan kennisdomeinen is opnieuw een klein stapje voorwaarts te zetten op weg naar objectieve kennis die voor iedereen toegankelijk is.

Arjen Meijer

16 december 2013

 

Voetnoot:
1) L. A. Harvey, Statistical power calculations reflect our love affair with P-values and hypothesis testing: time for a fundamental change.
te lezen op http://www.nature.com/sc/journal/v52/n1/full/sc2013117a.html

2) Maanen, Hans van (2010). Worden baby's door ooievaars gebracht? NAW 5/11, nr. 2 (juni), 134-135.
te lezen op http://www.nieuwarchief.nl/serie5/pdf/naw5-2010-11-2-134.pdf

Datum laatste inhoudelijke wijziging 16 december 2013