Hoe leren wetenschappers nieuwe dingen over de wereld?
Overzicht:
- Wetenschappers gebruiken een formalisme dat de Wetenschappelijke Methode wordt genoemd om nieuwe inzichten te krijgen in hoe de wereld werkt.
- De Wetenschappelijke Methode bestaat uit het stellen van een vraag, het formuleren van een hypothese, het testen ervan en het opnieuw evalueren op basis van de uitkomst van de test.
- Wetenschappelijke hypothesen kunnen nooit worden bewezen, maar kunnen altijd worden weerlegd.
- Als een hypothese uitgebreid is getest, wordt het een wetenschappelijke theorie die mogelijk kan worden toegepast op praktische problemen.
We leven in een tijd waarin informatie zo overvloedig aanwezig is als nooit tevoren in de geschiedenis van de mensheid. Met een snelle online zoekopdracht kunnen we op bijna alle vragen antwoord vinden; variërend van ‘Wat voor weer wordt het morgen?’ tot aan ‘Hoe oud is onze planeet?’. Als we echter dichter bij de uiterste rand van onze collectieve kennis komen, zijn antwoorden steeds moeilijker te vinden en het vergt vaak aanzienlijk meer inspanning dan het raadplegen van onze telefoons.
In dit artikel gaan we in op hoe wetenschappers nieuwe inzichten verwerven in hoe onze omringende wereld werkt en waarom zulke inzichten zo belangrijk kunnen zijn.
In de meeste wetenschappelijke disciplines wordt nieuwe kennis verkregen door een formalisme te volgen dat bekend staat als de Wetenschappelijke Methode. Het bestaat in verschillende vormen, maar kan worden onderverdeeld in vier grote delen: (1) karakterisering van een probleem en formulering van een onderzoeksvraag, (2) constructie van een hypothese en afleiding van voorspellingen, (3) experimentele toetsing van deze voorspellingen, en (4) herbeoordeling van de hypothese in het licht van de experimentele resultaten [1].
Om dit nogal abstracte formalisme te illustreren, kunnen we ons het volgende scenario voorstellen: We zouden graag wat toast hebben bij het ontbijt. We merken echter dat onze broodrooster het niet doet, en we willen de reden daarvoor achterhalen. Daarom formuleren we onze onderzoeksvraag als: ‘Waarom werkt de broodrooster niet?’ en construeren we de hypothese ‘De broodrooster is kapot.’. Hieruit kunnen we de voorspelling afleiden dat de broodrooster niet zou moeten werken als we hem in een ander stopcontact steken, wat gemakkelijk experimenteel kan worden getest. Het bedienen van de broodrooster vanaf een ander stopcontact kan een van twee resultaten hebben, die bepalen hoe we onze hypothese opnieuw zullen evalueren. Als de broodrooster nu wel werkt, zullen we onze hypothese moeten wijzigen in ‘Het eerste stopcontact was kapot’, terwijl als de broodrooster nog steeds niet werkt, we dit als bewijs kunnen beschouwen dat onze hypothese correct is [2]. Om echt wetenschappelijk te handelen, zouden we dan proberen onze bevindingen te repliceren door de broodrooster op een aantal andere stopcontacten te blijven testen. We zouden andere wetenschappers vragen om onze resultaten te reproduceren, en we zouden experts elk aspect van onze redenering laten evalueren in een proces dat ‘peer-review’ heet.
Het is belangrijk op te merken dat zelfs als we slagen in alle drie de bovenstaande stappen, we niet kunnen bewijzen dat de broodrooster kapot is. We kunnen ons gemakkelijk scenario’s voorstellen waarin de broodrooster niet werkt op verschillende stopcontacten, maar ook niet kapot is; bijvoorbeeld een stroomstoring. In feite levert de wetenschappelijke methode nooit bewijs voor een hypothese, maar biedt in plaats daarvan een manier om deze te testen en mogelijk te weerleggen [1].
Als een bepaalde hypothese de uitgebreide toetsing door de wetenschappelijke gemeenschap kan doorstaan, wordt het een aanvaarde theorie. Dat betekent dat, hoewel het nog steeds op elk moment kan worden weerlegd door nieuw bewijs, het in praktische zin als ‘waar’ wordt beschouwd en er nieuw werk op is gebaseerd. Dergelijke theorieën zijn waar wetenschappers naar op zoek zijn, aangezien ze de bouwstenen zijn van ons begrip van de wereld. Velen ervan kunnen zelfs worden gebruikt om echte of hypothetische gebeurtenissen te voorspellen, bijvoorbeeld wat er zal gebeuren als we een bepaald medicijn aan een patiënt geven of een bepaald circuit op een siliciumchip printen. Dergelijke voorspellingen kunnen worden geformaliseerd als: (a) we kennen of kunnen ons een reeks waarnemingen voorstellen, en (b) we kennen een theorie die van toepassing is. Op basis van deze twee componenten kunnen we voorspellen dat (c) volgt. Een beroemd voorbeeld hiervan is (a) Socrates is een mens, (b) alle mensen sterven en daarom (c) Socrates zal sterven. In werkelijkheid zijn dergelijke voorspellingen echter vaak niet deterministisch maar probabilistisch, zoals: (a) de patiënt hoest, (b) een specifiek medicijn geneest hoest in 70% van de gevallen, en daarom (c) zal de patiënt genezen met een waarschijnlijkheid van 70%. Dit formalisme – zij het in meer complexe vormen – wordt routinematig gebruikt in disciplines zoals bouwkunde of geneeskunde en heeft aanzienlijk bijgedragen aan hun succes [1, 3].
Het is moeilijk om iets echt nieuws over de wereld te leren. Om verkeerde of ontoereikende theorieën te vermijden, observeren, stellen vast, testen en evalueren wetenschappers voortdurend. Op deze manier verbreden we de horizon van onze kennis als mensheid, wat uiteindelijk betekent dat we vandaag betere antwoorden kunnen vinden op meer vragen dan gisteren wanneer we onze telefoons tevoorschijn halen.
Referenties:
- Poser H. Wissenschaftstheorie. 2nd ed. Stuttgart: Phillip Reclam jun. GmbH&Co. KG; 2012. https://www.reclam.de/detail/978-3-15-018995-5/Poser__Hans/Wissenschaftstheorie. Accessed January 24, 2022.
- OpenStaxCNX. Biology.; 2020. http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@14.1.
- Hempel CG, Oppenheim P. Studies in the Logic of Explanation. https://doi.org/101086/286983. 2015;15(2):135-175. doi:10.1086/286983