SCIENCE JOURNALIST - WRITER - SPEAKER @ ClearScience42 ***** Specialized in artificial intelligence, robots, the brain and Alan Turing***Gespecialiseerd in kunstmatige intelligentie, robots, het brein en Alan Turing.
Sunday, June 19, 2011
Thursday, June 16, 2011
De zegetocht van de laser
Dit artikel is gepubliceerd in maandblad KIJK, mei 2010
Wat zou er gebeuren wanneer alle lasers ter wereld vandaag zouden uitdoven? Weg is dan vrijwel al het internet- en telefoonverkeer. Weg elektronisch zaken doen, weg mobiel telefoonverkeer, weg noodoproepen. Vrijwel al deze communicatie zit tegenwoordig namelijk verpakt in laserlicht dat door optische glasvezels schiet. Optische glasvezels verbinden de continenten met elkaar en vormen het zenuwstelsel van de moderne informatiemaatschappij. Pinautomaten, pinbetalingen en creditcardbetalingen zijn ook afhankelijk van glasvezelcommunicatie en doen er om dezelfde reden het zwijgen toe wanneer alle lasers het vandaag zouden begeven. Zelfs automatische verkeerslichten vallen uit omdat glasvezels hen niet meer kunnen vertellen wanneer ze rood of groen moeten worden.
Verder zouden ziekenhuizen en klinieken bepaalde operaties niet meer kunnen uitvoeren. Geen laserlicht meer voor het vastmaken van losgelaten netvlies, het dichtlaseren van opengesprongen bloedvaten of het bijslijpen van de ooglens ter correctie van het gezichtsvermogen. In je huiskamer kun je geen cd’s en dvd’s meer afspelen. Op kantoor doet de laserprinter het niet meer. In conferentiecentra moet de aanwijsstok de laserpointer vervangen. Bij de kassa in de supermarkt begeeft de streepjescodescanner het. Hetzelfde lot treft de bagagelabelscanners en e-ticketscanners op vliegvelden. De entertainmentindustrie moet lasershows schrappen en hologrammen zijn in het niets verdwenen. En bij het leger slaat de paniek toe omdat het niet langer kan vertrouwen op lasergeleide wapens die dankzij laserlicht recht op hun doel afgaan. Wanneer alle lasers vandaag zouden uitdoven, zijn de gevolgen schier eindeloos.
Honderden miljoenen lasers vuren dagelijks hun licht in duizenden toepassingen. Geen betere illustratie van het succes van de laser. De uitvinders hadden niet kunnen voorspellen dat het apparaat zo succesvol zou worden. De uitvinding van de laser is een schoolvoorbeeld van het succes van fundamenteel natuurkundig onderzoek, uit pure nieuwsgierigheid, zonder één duidelijk praktisch doel voor ogen.
Fata morgana
Het is 1958 wanneer grote Amerikaanse onderzoekslaboratoria als Bell Labs, IBM, Westinghouse Electric en vele andere zich op de bouw van de eerste laser storten. Het is een tijd waarin ook bedrijfslaboratoria nog veel fundamenteel onderzoek doen. De wetenschappelijke principes op grond van waarvan een laser in principe moet kunnen werken, zijn dan net gepubliceerd. De ruwe bouwtekening van een laser ligt er ook al, maar niemand weet nog welk materiaal als lasermedium kan dienen. Er wordt volop geëxperimenteerd. Bell Labs waant zich de koploper in de race naar de laser. Het heeft op papier de beste onderzoekers aangetrokken en stopt er het meeste onderzoeksgeld in. Maar een jaar later, wanneer de beste laseronderzoekers op een internationale conferentie bij elkaar komen, heeft niemand nog aansprekende vooruitgang geboekt. Sommigen denken dat een laser een fata morgana zal blijven.
Maar dan ineens, op 16 mei 1960, slaagt de outsider Theodore Maiman van het bescheiden Hughes Research Laboratories in Californië erin de moordende concurrentie te verslaan en de eerste werkende laser te bouwen. Maiman gebruikt robijn als lasermedium, een materiaal waarvan de toponderzoekers van Bell hadden voorspeld dat het niet kon werken. Maar Maiman gelooft hen niet en gaat als een bezetene meten, rekenen en experimenteren. Hij is zowel natuurkundige als elektrisch ingenieur, en precies door de combinatie van wetenschappelijk inzicht en ingenieurskunde slaagt hij waar anderen falen.
De klap voor het verslagen Bell Labs is zo groot dat het bedrijf tot op heden nog probeert Maimans prestatie te kleineren en zelf de uitvinding van de laser te claimen. Zeer ten onrechte. Theodore Maiman is de eerste die een laser aan de praat kreeg. Jeff Hecht, een Amerikaanse journalist gespecialiseerd in alles wat over lasers gaat, vertelt het als volgt: “Als we er nu op terugkijken, lijkt de laser een bedrieglijk eenvoudig apparaat, maar dat is hij totaal niet. Maiman had er een Nobelprijs voor moeten krijgen, maar dat is helaas niet gebeurd.”
Het is in 1960 nog onduidelijk wat je precies met een laser kunt. Vooraanstaande laseronderzoekers en latere Nobelprijswinnaars als de Amerikanen Charles Townes en Arthur Schawlow zien het vooral als een wetenschappelijk instrument om de eigenschappen van atomen mee te onderzoeken. Maimans assistent Irnee D’Haenens noemt de laser een beetje gekscherend “een oplossing op zoek naar een probleem”. Maimans eerste laser wordt binnen enkele weken door meerdere onderzoeksgroepen nagebouwd, een bewijs van de eenvoud en robuustheid van zijn ontwerp. En binnen enkele jaren worden steeds meer nieuwe lasertypes ontwikkeld: andere kleuren, andere vermogens, andere toepassingsmogelijkheden.
In de jaren zestig blijft de laser nog vooral een wetenschappelijk instrument voor het onderzoeken van atomen. Midden jaren zeventig verschijnt de laser in de eerste consumentenproducten, met de streepjescodescanner in de supermarkt voorop. En spoedig wordt de laser big business en groeien de laserproducenten en lasertoepassingen als kool. Anno 2010, vijftig jaar na zijn uitvinding, kunnen we concluderen dat de laser samen met de transistor en de computer tot de grootste technologische successen van de 20e eeuw behoort. Het totaal aantal laserpatenten gaat sinds de uitvinding in 1960 ruim over de vijftigduizend heen, alleen voorbijgestreefd door aantallen motor- en computerpatenten. Jaarlijks worden wereldwijd een kleine miljoen lasers verkocht, van krachtige onderzoekslasers tot handzame laserpointers.
Ideaal licht
Wat is het geheim van de laser? Waarom is hij zo succesvol geworden? Geen enkel ander licht is zo netjes in ruimte en tijd geordend als laserlicht. De laser produceert een lichtstraal van één bepaalde kleur of golflengte die nauwelijks naar de zijkanten uitwaaiert. Dat levert de strakke, vlijmscherpe lichtstralen die we kennen van laserpointers en lasershows. Hoe weinig een laserstraal uitwaaiert blijkt uit een vergelijking met het licht van een gewone zaklamp. Neem als voorbeeld een helium-neonlaser met een golflengte van 633 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een millimeter) en een opening van één millimeter. De laserstraal heeft dus een breedte van een millimeter wanneer hij de laser verlaat. Deze laserstraal is na één kilometer nog steeds niet breder dan een meter. Ter vergelijking: het licht van een gewone zaklantaarn is na ruwweg tien meter al uitgedijd tot een bundel van een meter breed.
De nette ordening van laserlicht ontstaat doordat alle lichtgolven precies met elkaar in de pas lopen: golftoppen vallen precies over golftoppen, golfdalen precies over golfdalen. Heel anders dan gloeilampen, halogeenlampen of tl-lampen, die licht uitzenden van meerdere kleuren of golflengten tegelijk. Bovendien is hun licht een allegaartje van golven die door elkaar lopen. Zelfs een blauwe gloeilamp zendt meerdere tinten blauw uit, terwijl een blauwe laser één goed gedefinieerde kleur blauw uitzendt. De unieke ordening van laserlicht in ruimte en tijd maakt de laser ideaal voor toepassingen op de drie terreinen waarop hij de wereld in vijftig jaar heeft veroverd: informatieoverdracht en -verwerking (zoals telecommunicatie), energiebezorging op precies gedefinieerde plaatsen en tijdstippen (zoals materiaalbewerking), en bij het uitlijnen, meten en in beeld brengen (zoals laserafstandsmeting).
Lasertoekomst
Is de laser nu af, klaar, uitontwikkeld? Nee, verre van. Laserlicht kan nog krachtiger worden, nog smaller gebundeld en nog sneller gepulst. Bovendien kan de laser zelf steeds kleiner worden gemaakt. In 2009 maakten Amerikaanse onderzoekers de allerkleinste laser, eentje die kleiner is dan een enkel eiwit. Al deze ontwikkelingen gaan gestaag door en bieden uitzicht op nieuwe toepassingen.
Experts verwachten dat dat de laser binnen tien jaar zijn licht kan bundelen op een puntje niet groter dan een nanometer (een miljoenste millimeter) in doorsnede. Dat is honderden malen kleiner dan de golflengte van het licht zelf − tot voor kort onmogelijk geacht. Dit biedt grote mogelijkheden om digitale informatie op een nog kleinere oppervlakte op te slaan. Zulke miniatuurlaserbundels zouden alle films die ooit in Hollywood zijn gemaakt − zo’n honderdduizend − in hoge resolutie op de harde schijf van je pc kunnen schrijven.
Ook de pulsduur van gepulste lasers wordt steeds korter. De pulsduur is zoiets als de flitsduur van je fotoapparaat. Hij bepaalt hoe goed je beweging kunt bevriezen in een beeld. Hoe korter de pulsduur, hoe scherper je snelle bewegingen in beeld brengt. Het voordeel van gepulste lasers vergeleken met continue lasers is dat je veel meer energie in een korte tijd kunt leveren. De snelste lasers genereren nu femtosecondepulsen met een duur van een miljoenste van een miljoenste van een milliseconde. Binnen tien jaar worden attosecondelasers verwacht met een pulsduur die nog eens duizend maal korter is. Voor huis-, tuin en keukengebruik weinig zinvol, maar voor de wetenschap biedt dit ongekende mogelijkheden om beeld-voor-beeldopnamen te maken tijdens chemische reacties. Je kunt dan zien hoe elektronen zich gedragen tijdens deze reacties. En als je chemische reacties beter begrijpt, kun je die kennis ook gebruiken om ze beter te beheersen.
Ook in het het ingenieurswerk van laserproducten valt nog een wereld te winnen. Miniatuur sensoren die zijn uitgerust met kleine lasers kunnen straks bloedsuikerspiegel, zuurstofgehalte, alcoholgehalte en vele andere parameters van ons lichaam meten. Die sensoren kunnen zo klein worden dat ze gemakkelijk onder de huid geplaatst kunnen worden en real-time metingen kunnen verrichten om onze gezondheid in de gaten te houden. Het zijn maar een paar van de vele nieuwe mogelijkheden van de laser in 2020.
Welke nieuwe toepassingen het wel en niet gaan maken moeten we afwachten, net zoals de uitvinders van de laser in 1960 dat moesten afwachten. Maar dat er baanbrekende nieuwe toepassingen komen, staat vast. Jaarlijks worden nog steeds in rap tempo nieuwe laserpatenten ingediend. Het succes van de laser is nog lang niet ten einde.
[Kader] Hoe werkt een laser?
Laser staat voor light amplification by stimulated emission of radiation. Centraal in elke laser staat het lasermedium: een gas, vloeistof of vaste stof waarin de lasertruc werkt. De lasertruc bestaat eruit dat de meerderheid van de atomen in een toestand wordt gebracht waarin ze in een hogere energietoestand zitten (aangeslagen toestand). Wanneer die aangeslagen atomen getroffen worden door lichtdeeltjes met precies de juiste golflengte, worden ze gestimuleerd zelf nieuwe lichtdeeltjes uit te zenden met precies dezelfde golflengte als die van de invallende lichtdeeltjes. Dat heet gestimuleerde emissie. Bovendien is het bijzondere dat de golven precies met elkaar in de pas lopen.
Gestimuleerde emissie is het centrale natuurkundige principe van de laserwerking. De kunst is om een materiaal te vinden of te maken − het lasermedium − waarin dit fenomeen zich kan voordoen. Het lasermedium bepaalt de kleur van het laserlicht. Om het lasermedium te laten laseren, moet je er op een of andere manier energie in stoppen. Dat gebeurt met elektriciteit of licht (het pompsysteem). Naast een lasermedium en een pompsysteem heb je ook een lichtversterker nodig. De versterker kaatst het opgewekte licht tussen twee spiegels heen en weer waardoor het lasermedium steeds opnieuw wordt gestimuleerd om licht van precies dezelfde golflengte uit te zenden, waarbij alle lichtgolven met elkaar in de pas lopen. Een van de spiegels is gedeeltelijk doorlatend en wanneer het laserlicht sterk genoeg is geworden, schiet het naar buiten als een laserstraal. Een laser kan continu of gepulst een laserstraal produceren. Golflengte (kleur), pulsduur, vermogen en breedte van de laserstraal variëren per lasertype en lasertoepassing.
Internet
www.laserfest.org/ Veel achtergrondinformatie over de laser op deze site over de viering van 50 jaar lasers.
www.aip.org/history/exhibits/laser/interviews.html Interviews met laserpioniers
www.innovations.gatech.edu/lasers/index.php The future of lasers
www.youtube.com/watch?v=7wyp909mQPM De beroemde laserscène in de James Bond-film Goldfinger uit 1964
Literatuur
Beam − The race to make the laser. Spannend verhaal over de uitvinding van de laser, van laserjournalist Jeff Hecht. Oxford University Press (2005)
Wednesday, June 15, 2011
"Reductionisme is dood"
Dit interview met wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin verscheen in Natuur en Techniek, juli/aug 2001. Toulmin overleed in 2009 op 87-jarige leeftijd.
Hij liep nog college bij de natuurkundige Paul Dirac en de legendarische filosoof Ludwig Wittgenstein. Over de laatste: “Zijn colleges waren zowel de beste als de slechtste die ik ooit heb gevolgd. Ze waren zonder methode, maar buitengewoon stimulerend. Als een soort Socrates bestookte hij zijn studenten met vragen”. In de collegebanken bij Wittgenstein zat toen ook Alan Turing, de pionier op computergebied. Het was een bijzonder klasje.
In Nederland en België is wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin bekend van zijn boeken Het Wenen van Wittgenstein en Kosmopolis, maar niet het minst door zijn optreden in Een schitterend ongeluk (VPRO, 1993), een serie spraakmakende tv-interviews die Wim Kayzer maakte met verder Oliver Sacks, Freeman Dyson, Daniel Dennett, Stephen Jay Gould en Rupert Sheldrake.
De Engelse wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin werd geboren op 25 maart 1922 in Londen. Hij studeerde wis- en natuurkunde in Cambridge en promoveerde daar in 1948 in de filosofie. In 1959 verhuisde hij naar de Verenigde Staten, waar hij hoogleraarschappen aan diverse universiteiten bekleedde. Hij verwierf wereldwijde bekendheid met boeken als Human understanding (1972), Wittgenstein’s Vienna (1973, samen met Allan Janik) en Cosmopolis – The hidden agenda of modernity (1989). Momenteel is hij hoogleraar aan het Center for Multiethnic Studies aan de universiteit van Zuid-Californië.
Toulmin wordt wel eens ingedeeld bij postmoderne filosofen, maar dat zint hem allerminst. “Die houden zich niet met natuurwetenschap bezig. Dat bezorgt ze een grote achterstand”, luidt zijn korte en duidelijke antwoord. “Hoe kun je nu de wereld proberen te begrijpen zonder een natuurwetenschappelijke interesse?”
Zelf is hij een duizendpoot: natuurwetenschap, ethiek, argumentatieleer, praktische kennis in de geneeskunde, de historische ontwikkeling van de menswetenschappen, wetenschapsgeschiedenis, wetenschapsfilosofie; hij heeft zich er allemaal uitgebreid mee beziggehouden. Op uitnodiging van de Delftse organisatoren van het symposium Heroic Engineering was Toulmin maart 2001 even in Nederland. Ik sprak hem over de inmiddels in juni verschenen Nederlandse vertaling van zijn nieuwe boek: Terug naar de rede.
Hij liep nog college bij de natuurkundige Paul Dirac en de legendarische filosoof Ludwig Wittgenstein. Over de laatste: “Zijn colleges waren zowel de beste als de slechtste die ik ooit heb gevolgd. Ze waren zonder methode, maar buitengewoon stimulerend. Als een soort Socrates bestookte hij zijn studenten met vragen”. In de collegebanken bij Wittgenstein zat toen ook Alan Turing, de pionier op computergebied. Het was een bijzonder klasje.
In Nederland en België is wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin bekend van zijn boeken Het Wenen van Wittgenstein en Kosmopolis, maar niet het minst door zijn optreden in Een schitterend ongeluk (VPRO, 1993), een serie spraakmakende tv-interviews die Wim Kayzer maakte met verder Oliver Sacks, Freeman Dyson, Daniel Dennett, Stephen Jay Gould en Rupert Sheldrake.
De Engelse wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin werd geboren op 25 maart 1922 in Londen. Hij studeerde wis- en natuurkunde in Cambridge en promoveerde daar in 1948 in de filosofie. In 1959 verhuisde hij naar de Verenigde Staten, waar hij hoogleraarschappen aan diverse universiteiten bekleedde. Hij verwierf wereldwijde bekendheid met boeken als Human understanding (1972), Wittgenstein’s Vienna (1973, samen met Allan Janik) en Cosmopolis – The hidden agenda of modernity (1989). Momenteel is hij hoogleraar aan het Center for Multiethnic Studies aan de universiteit van Zuid-Californië.
Toulmin wordt wel eens ingedeeld bij postmoderne filosofen, maar dat zint hem allerminst. “Die houden zich niet met natuurwetenschap bezig. Dat bezorgt ze een grote achterstand”, luidt zijn korte en duidelijke antwoord. “Hoe kun je nu de wereld proberen te begrijpen zonder een natuurwetenschappelijke interesse?”
Zelf is hij een duizendpoot: natuurwetenschap, ethiek, argumentatieleer, praktische kennis in de geneeskunde, de historische ontwikkeling van de menswetenschappen, wetenschapsgeschiedenis, wetenschapsfilosofie; hij heeft zich er allemaal uitgebreid mee beziggehouden. Op uitnodiging van de Delftse organisatoren van het symposium Heroic Engineering was Toulmin maart 2001 even in Nederland. Ik sprak hem over de inmiddels in juni verschenen Nederlandse vertaling van zijn nieuwe boek: Terug naar de rede.
Meer dan rationaliteit
Het idee dat er één enkele wetenschappelijke methode bestaat, ontstond in de historie tegelijkertijd met het idee dat wetenschap rationaliteit als hoogste doel heeft. Zo begint Toulmin zijn nieuwe boek. Hij verklaart: “Voor mij zijn de functies van het verstand niet uitgeput door rationeel te zijn. Ik heb mijn Nederlandse vrienden geraadpleegd, en die droegen me het Nederlandse woord ‘redelijkheid’ aan. De manier waarop we ons vermogen tot denken in de praktijk moeten gebruiken, vereist dat we redelijk moeten zijn in plaats van alleen rationeel.”
In Terug naar de rede borduurt Toulmin voort op een thema dat hij in het boek Kosmopolis vooral vanuit historisch oogpunt belichtte: waar in de 16e eeuw de nadruk in de wetenschap lag op het humanisme, veranderde dat in de 17e eeuw radicaal naar het rationalisme: een overgang van een nadruk op de mens als geheel naar een nadruk op het verstand. “Dit rationalisme is zeer lang als zaligmakend blijven doordreunen”, zegt Toulmin. “Het is geculmineerd in ideeën waarin uiteindelijk alles in de levende en de levenloze natuur tot de fysica wordt gereduceerd. Reductionisme in deze zin heeft volgens mij al lang zijn kracht verloren.” Hij lacht: “…behalve voor mensen die dat niet in de gaten hebben”
Reductionistisch sprookje
Toulmin vertelt over zijn herinnering aan een prachtige lezing van de bioloog Haldane in de jaren vijftig. “Haldane zette daarin uiteen waarom reductionisme zelfs in één enkele discipline als de biologie niet werkt. Ook daar heb je minstens op vier verschillende niveaus theorieën nodig: op het niveau van macromoleculen, organen, levenscycli en evolutie. Er is geen enkele manier om het ene niveau logisch af te leiden uit de andere”, zegt de filosoof, zichtbaar geïrriteerd over het reductionistische sprookje.
Hij vervolgt zijn tirade: “Ik vind het gevaarlijk dat veel sociale wetenschappen de mechanica van Newton, het klassieke summum van een rationele theorie, gebruiken als het enige juiste prototype van een goed model. Kijk naar de economie. In die discipline nemen wetenschappers, zeker in de VS, aan dat een Newtonachtig model het prototype is van een goed economisch model. En dat terwijl in de natuurkunde zelf niemand Newtons theorie als het laatste woord ziet. Zo’n mechanistische benadering in de economie gaat volledig voorbij aan de toepassingen van de chaostheorie in de wereld van de geldstromen. Economen kunnen niet meer zondermeer uitgaan van stabiele economische modellen, zoals ze dat vroeger deden.”
Toulmin vergelijkt het imperialisme van theoretisch-economen in de sociale wetenschappen met dat van theoretisch-fysici in de natuurwetenschappen. “Veel economen zouden alle sociale fenomenen het liefst reduceren tot hun eigen vak. Je kunt lachen om hun naïviteit, en dat is gezond, maar het is echt zo. Politieke wetenschappers hanteren eenzelfde idee van oorzaak-gevolg als in de klassieke fysica. Maar dat is al lang niet meer het hele verhaal.”
Fietsen zonder Newton
Vijftien jaar lang werkte Toulmin als filosoof een aantal dagen per week in een omgeving van artsen, in een ziekenhuis. De ideale omgeving om wetenschap ook in de praktijk aan het werk te zien.
“Het leert je om wetenschap niet alleen als een mechanisch of wiskundig product te zien. We weten bijvoorbeeld veel beter dát aspirine werkt tegen hoofdpijn dan hóe. Sterker nog: we kunnen alleen maar de waaromvraag stellen omdat we weten dát het stofje werkt. Onze kennis dát het werkt noem ik in mijn boek een vorm van klinische kennis; klinisch in de zin van ingebed in de praktijk van de kliniek. Het is kennis met een sterk praktische kant. We leren ook niet fietsen doordat we de wetten van Newton krijgen aangereikt.”
Die sterk in de praktijk ingebedde klinische ervaring ziet Toulmin als de empirische basis van wetenschap. Die basis bestaat niet alleen uit een verzameling fysische en chemische feiten, maar uit het geheel van waarnemingen van dingen die goed of slecht werken. “In de rationalistische traditie heet het dat wetenschap over feiten gaat en niet over waarden. Het verschil tussen een goed of een slecht werkend hart is echter wel degelijk een kwestie van een waardeoordeel. Het is geen puur feitelijke, zwart-wit-kwestie. Het feit dat een patiënt doodgaat, is nog geen reden voor de dokter om weg te gaan, maar om anders met de patiënt om te gaan.”
Hij vervolgt: "In de eerste helft van de 20e eeuw werd de klinische geneeskunde gezien als toegepaste biologie. Nu heb ik daar niks tegen, maar de geschiedenis van de geneeskunde is veel ouder dan de geschiedenis van de biologie. Het belang van de praktische ervaring die in duizenden jaren zorgvuldig is opgebouwd, moeten we niet onderschatten.
“In de VS krijgen studenten geneeskunde twee jaar lang organische chemie en andere harde vakken. Natuurlijk vormt dit een goede wetenschappelijke basis. Maar pas als een student een diagnose weet te stellen in het licht van de uitgebreide ziektegeschiedenis van een patiënt, is hij echt op weg een dokter te worden. Hetzelfde geldt ook in de psychologie. Alleen door verhalen van mensen te construeren kunnen we tot een begrip komen van hoe dat leven geleefd wordt. Het gaat om die verhalen in een breed perspectief. Een oordeel vormen in zo’n klinische interpretatie heeft meer te maken met het construeren van een roman van iemands leven. We moeten voorbereid zijn om met die verhalen om te gaan.”
Staal of het beest
Volgens Toulmin staan ingenieurs voor dezelfde soort problemen als medici. “Voor veel ingenieurs is alleen wat technisch is echt wetenschappelijk. Het leren wordt voor een ingenieur dan het leren van de technieken. Maar zoals een medisch probleem vaak technische én morele aspecten heeft, zo is het ook met een ingenieursprobleem. De ingenieur moet zich niet alleen afvragen hoeveel beton of staal er nodig is en hoe sterk een constructie moet worden, maar ook wat het effect is op mensen, planten en dieren, op de omgeving van zijn product.”
De wetenschapsfilosoof vertelt over een Japanse vriend, een civiel-ingenieur, die verantwoordelijk was voor de aanleg van het internationale vliegveld in de baai van Osaka. “Het zou een kunstmatig eiland worden. Er werd druk gediscussieerd over hoe de bouw van het kunstmatige eiland de vissen en het werk van de vissers zou verstoren. Wat bleek echter: die vissen waren dol op het vliegveld, vooral op de microniches die bij de peilers van het eiland waren ontstaan. Het eiland had dus een effect op de omgeving, maar vooral een onvoorzien positief effect. Dat leer je niet tijdens een studie civiele techniek, terwijl een bredere kijk van groot belang is bij grootschalige projecten. Kijk ook maar naar het driedammenproject in de Yangtze in China. De Chinese autoriteiten hebben daar anderhalf miljoen mensen gedwongen voor getransporteerd, zonder ze om hun mening te vragen.” Brommend: “Werkelijk tiranniek.”
Het is Toulmins strikte overtuiging dat ingenieurs zowel met het feitenaspect als met het waardenaspect van hun problemen moeten kunnen omgaan. Volgens hem besteden de ingenieursopleidingen daar helaas te weinig aandacht aan. “Natuurlijk is het in het onderwijs en onderzoek belangrijk en zelfs onvermijdelijk om een onderwerp te verdelen in te analyseren onafhankelijke delen. In de praktijk heb je echter nooit te maken met afzonderlijke dingen op afzonderlijke tijden, maar met een complex van zaken tegelijkertijd. Klinische ervaring leert je hoe daarmee om te gaan.”
Toulmins centrale thema in zijn nieuwe boek is dat wetenschap een rijk geschakeerd landschap vormt van disciplines waarin elke wetenschap zijn waarde heeft. "Het is een bevrijding als we ons realiseren dat er niet één enkele wetenschappelijke methode is. Galilei geloofde dat het boek van de natuur is geschreven in één enkele taal: die van de wiskunde. Maar misschien is het boek van de natuur in een boel verschillende talen geschreven.
“Als je evolutie wilt bestuderen, neem je een populatie dieren onder de loep, en niet een individueel dier. In de fysiologie bestudeert de onderzoeker daarentegen wel een enkel dier. Een moleculair-bioloog zou in principe kunnen werken zonder ook maar één keer in zijn leven een dier te zien. We moeten rekening houden met deze veelvoudige niveaus van begrip.”
Tot slot: “Ik vind dat we moeten terugkeren naar de brede basis van een wetenschap ingebed in een humanistische traditie. In bijvoorbeeld de economie en de psychologie zie ik gelukkig al allerlei signalen dat dit proces aan de gang is. Het gaat om een balans tussen rationaliteit en menselijke redelijkheid.”
[Kader:] Filosofische begrippen
Rationalisme: Een denkrichting die het verstand en de logische orde der dingen centraal stelt. Ze gaat ervan uit dat we alleen via de rede tot universele kennis kunnen komen.
Humanisme: Een denkrichting die de mens als geheel centraal stelt, en niet slechts een onderdeel daaruit (zoals het verstand). Menselijke waardigheid, vrijheid en gevoelens horen ook in het denken betrokken te worden.
Reductionisme: Verklaring van verschijnselen door die zoveel mogelijk terug te brengen tot hun meest elementaire componenten (bijvoorbeeld genen of elementaire deeltjes). Dat je een levend organisme uiteindelijk zou kunnen begrijpen uit informatie over alle samenstellende atomen, is bijvoorbeeld een reductionistisch idee.
Boek
Het idee dat er één enkele wetenschappelijke methode bestaat, ontstond in de historie tegelijkertijd met het idee dat wetenschap rationaliteit als hoogste doel heeft. Zo begint Toulmin zijn nieuwe boek. Hij verklaart: “Voor mij zijn de functies van het verstand niet uitgeput door rationeel te zijn. Ik heb mijn Nederlandse vrienden geraadpleegd, en die droegen me het Nederlandse woord ‘redelijkheid’ aan. De manier waarop we ons vermogen tot denken in de praktijk moeten gebruiken, vereist dat we redelijk moeten zijn in plaats van alleen rationeel.”
In Terug naar de rede borduurt Toulmin voort op een thema dat hij in het boek Kosmopolis vooral vanuit historisch oogpunt belichtte: waar in de 16e eeuw de nadruk in de wetenschap lag op het humanisme, veranderde dat in de 17e eeuw radicaal naar het rationalisme: een overgang van een nadruk op de mens als geheel naar een nadruk op het verstand. “Dit rationalisme is zeer lang als zaligmakend blijven doordreunen”, zegt Toulmin. “Het is geculmineerd in ideeën waarin uiteindelijk alles in de levende en de levenloze natuur tot de fysica wordt gereduceerd. Reductionisme in deze zin heeft volgens mij al lang zijn kracht verloren.” Hij lacht: “…behalve voor mensen die dat niet in de gaten hebben”
Reductionistisch sprookje
Toulmin vertelt over zijn herinnering aan een prachtige lezing van de bioloog Haldane in de jaren vijftig. “Haldane zette daarin uiteen waarom reductionisme zelfs in één enkele discipline als de biologie niet werkt. Ook daar heb je minstens op vier verschillende niveaus theorieën nodig: op het niveau van macromoleculen, organen, levenscycli en evolutie. Er is geen enkele manier om het ene niveau logisch af te leiden uit de andere”, zegt de filosoof, zichtbaar geïrriteerd over het reductionistische sprookje.
Hij vervolgt zijn tirade: “Ik vind het gevaarlijk dat veel sociale wetenschappen de mechanica van Newton, het klassieke summum van een rationele theorie, gebruiken als het enige juiste prototype van een goed model. Kijk naar de economie. In die discipline nemen wetenschappers, zeker in de VS, aan dat een Newtonachtig model het prototype is van een goed economisch model. En dat terwijl in de natuurkunde zelf niemand Newtons theorie als het laatste woord ziet. Zo’n mechanistische benadering in de economie gaat volledig voorbij aan de toepassingen van de chaostheorie in de wereld van de geldstromen. Economen kunnen niet meer zondermeer uitgaan van stabiele economische modellen, zoals ze dat vroeger deden.”
Toulmin vergelijkt het imperialisme van theoretisch-economen in de sociale wetenschappen met dat van theoretisch-fysici in de natuurwetenschappen. “Veel economen zouden alle sociale fenomenen het liefst reduceren tot hun eigen vak. Je kunt lachen om hun naïviteit, en dat is gezond, maar het is echt zo. Politieke wetenschappers hanteren eenzelfde idee van oorzaak-gevolg als in de klassieke fysica. Maar dat is al lang niet meer het hele verhaal.”
Fietsen zonder Newton
Vijftien jaar lang werkte Toulmin als filosoof een aantal dagen per week in een omgeving van artsen, in een ziekenhuis. De ideale omgeving om wetenschap ook in de praktijk aan het werk te zien.
“Het leert je om wetenschap niet alleen als een mechanisch of wiskundig product te zien. We weten bijvoorbeeld veel beter dát aspirine werkt tegen hoofdpijn dan hóe. Sterker nog: we kunnen alleen maar de waaromvraag stellen omdat we weten dát het stofje werkt. Onze kennis dát het werkt noem ik in mijn boek een vorm van klinische kennis; klinisch in de zin van ingebed in de praktijk van de kliniek. Het is kennis met een sterk praktische kant. We leren ook niet fietsen doordat we de wetten van Newton krijgen aangereikt.”
Die sterk in de praktijk ingebedde klinische ervaring ziet Toulmin als de empirische basis van wetenschap. Die basis bestaat niet alleen uit een verzameling fysische en chemische feiten, maar uit het geheel van waarnemingen van dingen die goed of slecht werken. “In de rationalistische traditie heet het dat wetenschap over feiten gaat en niet over waarden. Het verschil tussen een goed of een slecht werkend hart is echter wel degelijk een kwestie van een waardeoordeel. Het is geen puur feitelijke, zwart-wit-kwestie. Het feit dat een patiënt doodgaat, is nog geen reden voor de dokter om weg te gaan, maar om anders met de patiënt om te gaan.”
Hij vervolgt: "In de eerste helft van de 20e eeuw werd de klinische geneeskunde gezien als toegepaste biologie. Nu heb ik daar niks tegen, maar de geschiedenis van de geneeskunde is veel ouder dan de geschiedenis van de biologie. Het belang van de praktische ervaring die in duizenden jaren zorgvuldig is opgebouwd, moeten we niet onderschatten.
“In de VS krijgen studenten geneeskunde twee jaar lang organische chemie en andere harde vakken. Natuurlijk vormt dit een goede wetenschappelijke basis. Maar pas als een student een diagnose weet te stellen in het licht van de uitgebreide ziektegeschiedenis van een patiënt, is hij echt op weg een dokter te worden. Hetzelfde geldt ook in de psychologie. Alleen door verhalen van mensen te construeren kunnen we tot een begrip komen van hoe dat leven geleefd wordt. Het gaat om die verhalen in een breed perspectief. Een oordeel vormen in zo’n klinische interpretatie heeft meer te maken met het construeren van een roman van iemands leven. We moeten voorbereid zijn om met die verhalen om te gaan.”
Staal of het beest
Volgens Toulmin staan ingenieurs voor dezelfde soort problemen als medici. “Voor veel ingenieurs is alleen wat technisch is echt wetenschappelijk. Het leren wordt voor een ingenieur dan het leren van de technieken. Maar zoals een medisch probleem vaak technische én morele aspecten heeft, zo is het ook met een ingenieursprobleem. De ingenieur moet zich niet alleen afvragen hoeveel beton of staal er nodig is en hoe sterk een constructie moet worden, maar ook wat het effect is op mensen, planten en dieren, op de omgeving van zijn product.”
De wetenschapsfilosoof vertelt over een Japanse vriend, een civiel-ingenieur, die verantwoordelijk was voor de aanleg van het internationale vliegveld in de baai van Osaka. “Het zou een kunstmatig eiland worden. Er werd druk gediscussieerd over hoe de bouw van het kunstmatige eiland de vissen en het werk van de vissers zou verstoren. Wat bleek echter: die vissen waren dol op het vliegveld, vooral op de microniches die bij de peilers van het eiland waren ontstaan. Het eiland had dus een effect op de omgeving, maar vooral een onvoorzien positief effect. Dat leer je niet tijdens een studie civiele techniek, terwijl een bredere kijk van groot belang is bij grootschalige projecten. Kijk ook maar naar het driedammenproject in de Yangtze in China. De Chinese autoriteiten hebben daar anderhalf miljoen mensen gedwongen voor getransporteerd, zonder ze om hun mening te vragen.” Brommend: “Werkelijk tiranniek.”
Het is Toulmins strikte overtuiging dat ingenieurs zowel met het feitenaspect als met het waardenaspect van hun problemen moeten kunnen omgaan. Volgens hem besteden de ingenieursopleidingen daar helaas te weinig aandacht aan. “Natuurlijk is het in het onderwijs en onderzoek belangrijk en zelfs onvermijdelijk om een onderwerp te verdelen in te analyseren onafhankelijke delen. In de praktijk heb je echter nooit te maken met afzonderlijke dingen op afzonderlijke tijden, maar met een complex van zaken tegelijkertijd. Klinische ervaring leert je hoe daarmee om te gaan.”
Toulmins centrale thema in zijn nieuwe boek is dat wetenschap een rijk geschakeerd landschap vormt van disciplines waarin elke wetenschap zijn waarde heeft. "Het is een bevrijding als we ons realiseren dat er niet één enkele wetenschappelijke methode is. Galilei geloofde dat het boek van de natuur is geschreven in één enkele taal: die van de wiskunde. Maar misschien is het boek van de natuur in een boel verschillende talen geschreven.
“Als je evolutie wilt bestuderen, neem je een populatie dieren onder de loep, en niet een individueel dier. In de fysiologie bestudeert de onderzoeker daarentegen wel een enkel dier. Een moleculair-bioloog zou in principe kunnen werken zonder ook maar één keer in zijn leven een dier te zien. We moeten rekening houden met deze veelvoudige niveaus van begrip.”
Tot slot: “Ik vind dat we moeten terugkeren naar de brede basis van een wetenschap ingebed in een humanistische traditie. In bijvoorbeeld de economie en de psychologie zie ik gelukkig al allerlei signalen dat dit proces aan de gang is. Het gaat om een balans tussen rationaliteit en menselijke redelijkheid.”
[Kader:] Filosofische begrippen
Rationalisme: Een denkrichting die het verstand en de logische orde der dingen centraal stelt. Ze gaat ervan uit dat we alleen via de rede tot universele kennis kunnen komen.
Humanisme: Een denkrichting die de mens als geheel centraal stelt, en niet slechts een onderdeel daaruit (zoals het verstand). Menselijke waardigheid, vrijheid en gevoelens horen ook in het denken betrokken te worden.
Reductionisme: Verklaring van verschijnselen door die zoveel mogelijk terug te brengen tot hun meest elementaire componenten (bijvoorbeeld genen of elementaire deeltjes). Dat je een levend organisme uiteindelijk zou kunnen begrijpen uit informatie over alle samenstellende atomen, is bijvoorbeeld een reductionistisch idee.
Boek
Stephen Toulmin. Terug naar de rede. Kampen: Agora & Kapellen: Pelckmans, 2001, ISBN 9039108161
Wednesday, June 8, 2011
Eurekamoment: zwaartekracht is geen fundamentele kracht
Dit artikel is verschenen in NRC Handelsblad van dinsdag 7 juni 2011
Verlinde is een expert in de snaartheorie, een poging om de wereld van het heel grote (beschreven door de zwaartekrachttheorie van Einstein) en de wereld van het heel kleine (beschreven door de quantummechanica) met elkaar te verenigen. Verlindes belangrijkste werk wordt gevormd door de Verlinde-algebra en de Verlinde-formule, instrumenten van de mathematische fysica die gebruikt worden in de zogeheten veldentheorie. Verder: de Witten-Dijkgraaf-Verlinde-Verlinde-vergelijkingen uit de snaarfysica en de Cardy-Verlinde-formule.
In 2010 baarde Verlinde opzien met zijn hypothese dat de zwaartekracht geen fundamentele natuurkracht is, maar een emergent verschijnsel – een gevolg van bepaalde statistische eigenschappen van massa, ruimte en tijd op een microscopisch niveau. Op die kleinste lengteschalen gelden niet langer de wetten van Newton die voor appels en planeten wel gelden; die wetten komen pas tevoorschijn op grotere lengteschalen. Vergelijk het met de druk die een gas uitoefent: één molecuul heeft geen druk, maar in een vat dat is gevuld met talloze gasmoleculen heerst wel druk. Toen Verlinde de statistische eigenschappen van massa, ruimte en tijd in termen van informatie formuleerde, bleek hij zowel de wetten van Newton af te kunnen leiden als de gravitatiewetten van Einstein.
„Het moment waarop ik dat inzicht kreeg, was voor mij euforisch”, zegt hij. „Echt een eurekamoment. Ik denk dat dit een heel nieuw fundamenteel inzicht biedt in de zwaartekracht, dat nu verder uitgebouwd moet worden. Het zal nog wel een tijdje duren voor collega’s deze opvatting van de zwaartekracht algemeen accepteren.” In 2010 kreeg Verlinde ook al 2 miljoen euro van de Europese Unie.
Wat gaat u met het geld van de Spinozaprijs doen?
"Van het geld zal ik in de eerste plaats jonge onderzoekers aanstellen. Ik zoek vooral mensen die me kunnen helpen bij het onderzoek dat aansluit bij mijn ideeën over de zwaartekracht. Daar ligt voor mij de grootste uitdaging. Verder wil ik ook wat meer ervaren onderzoekers naar Amsterdam halen. Ik ken wetenschappers die graag naar Amsterdam willen komen, maar dan wel voor een langere tijd dan één of twee jaar. Ten slotte wil ik een deel van het geld besteden om mijn ideeën over de zwaartekracht op een professionelere manier bij het brede publiek te brengen. Ik word veel gevraagd voor lezingen, ook voor middelbare scholieren, en ik heb wel wat ideeën om die kennisoverdracht professioneler te maken. Meer gebruik maken van visualisaties en internet bijvoorbeeld.”
Wat vindt u van het huidige wetenschappelijke klimaat in Nederland? „Eigenlijk vind ik het onderzoeksklimaat in Nederland heel goed. De mogelijkheden voor onderzoeksfinanciering zijn vergeleken met het buitenland prima. Bijvoorbeeld in Engeland hoor ik verhalen die veel meer zorgen baren. Op een paar punten maak ik me wel zorgen over het Nederlandse onderzoeksklimaat. Voor jonge onderzoekers is het moeilijk om een vaste aanstelling te krijgen. Zij moeten vaak te lang van postdocbaan naar postdocbaan springen. Mijn tweede punt van zorg is de grotere nadruk die lijkt te komen liggen op toepassingen van onderzoek. Dat ondergraaft het belang van fundamenteel onderzoek.”
Wat is uw favoriete boek?
"Een goed en toegankelijk boek dat aansluit bij mijn vakgebied, is The Elegant Universe van Brian Greene uit 1999 [In het Nederlands vertaald als De kosmische symfonie]. Een tweede boek dat ik zou willen noemen, dat over wetenschap in brede zin gaat, is Een kleine geschiedenis van bijna alles van Bill Bryson.”
Tuesday, June 7, 2011
De Nederlandse Wetenschapsagenda
Op maandag 30 mei presenteerde de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) de Nederlandse Wetenschapsagenda. Deze presenteert 49 grote wetenschappelijke vragen aan de oplossing waarvan Nederlandse wetenschappers in het komende decennium een belangrijke bijdrage kunnen leveren.
Aan dit boek heb ik bijgedragen met negen artikelen:
Wat kunnen we zeggen over de toekomst van een chaotisch systeem? (pag. 28)
Streven computers straks zelfs wiskundigen voorbij? (pag. 30)
Waar ligt de grens tussen het berekenbare en het onberekenbare? (pag. 32)
Hoe kan uit enkele foto's een betrouwbaar beeld van de realiteit worden bepaald? (pag. 34)
Wat kunnen we wel en niet berekenen uit het Langlands-programma? (pag. 36)
Kunnen we het gedrag van complexe en levende materie begrijpen? (pag. 118)
Wanneer vervangt de kwantumcomputer de klassieke computer? (pag. 120)
Uit welke elementaire deeltjes en krachten is alle materie opgebouwd? (pag. 124)
Sterren en planeten: hoe worden ze geboren en hoe gaan ze dood? (pag. 126)
Klik hier voor de PDF-versie van het boek
Aan dit boek heb ik bijgedragen met negen artikelen:
Wat kunnen we zeggen over de toekomst van een chaotisch systeem? (pag. 28)
Streven computers straks zelfs wiskundigen voorbij? (pag. 30)
Waar ligt de grens tussen het berekenbare en het onberekenbare? (pag. 32)
Hoe kan uit enkele foto's een betrouwbaar beeld van de realiteit worden bepaald? (pag. 34)
Wat kunnen we wel en niet berekenen uit het Langlands-programma? (pag. 36)
Kunnen we het gedrag van complexe en levende materie begrijpen? (pag. 118)
Wanneer vervangt de kwantumcomputer de klassieke computer? (pag. 120)
Uit welke elementaire deeltjes en krachten is alle materie opgebouwd? (pag. 124)
Sterren en planeten: hoe worden ze geboren en hoe gaan ze dood? (pag. 126)
Klik hier voor de PDF-versie van het boek
Thursday, June 2, 2011
Beluister/bekijk OBA Live over het Human Brain Project
Op woensdag 1 juni was ik te gast bij het radioprogramma OBA Live om te praten over het Human Brain Project: het nabootsen van de werking van het menselijk brein op een supercomputer.
Presentator: Theodor Holman. Live-uitzending van 19.00-20.00 op Radio 5 en ook te bekijken via de webcam.
Subscribe to:
Posts (Atom)