Het toeval in het wetenschappelijk onderzoek (serendipity).
In de uitvoering van de experimentele faze van het wetenschappelijk onderzoek kunnen soms toevallige waarnemingen gedaan worden.Door attent te zijn tijdens het onderzoek kan een wetenschapper dikwijls baat hebben bij een nauwkeurige evaluatie van zulke toevaltreffers en daardoor ook zijn werk voor een stuk flink vooruit helpen.Soms kan men nieuwe aspecten en toepassingen ontdekken.Het is wel nuttig de woorden van Louis Pasteur in herinnering te brengen:"Dans les champs de l'observation,le hasard ne favorise que les esprits préparés."Hiermee bedoelde Pasteur dat door onoplettentheid of overhaasting waardevolle feiten aan de aandacht ontsnappen.Dit aspect van toevallige ontdekkingen wordt algemeen gekend als "serendipiteit(serendipity)" maw de gave om toevallige waardevolle dingen te ontdekken.Serendipity stamt af van een oud perzisch toververhaal ,vermeld door Horace Walpole.Het verhaal is gekend als "De Drie Prinsen Van Serendip."(Serendip is de oude perzische naam van Sri Lanka).Toen ze op reis waren deden ze dikwijls,door toeval en wijsheid, ontdekkingen op gebieden waar ze niet op zoek waren.Een versie van Serendipity luidt: "....the effect by which one accidentally discovers something fortunate,especially while looking for something else entirely."Om een nuttig effect te sorteren moet serendipiteit samengaan met "wijsheid" ofwel met de gave correlaties te vinden tussen toevallige observaties en het onderzoek zelf.Sommige wetenschappers zijn niet bereid toevallige observaties te vermelden en rangschikken die meestal als vergissingen of artefacts terwijl andere openlijk aanvaarden dat serendipiteit wel een rol kan spelen en af en toe een doorslaggevende betekenis hebben. Er zijn in de natuurwetenschappen zeer veel gevallen van serendipiteit bekend. Drie markante voorbeelden zijn: -De ontdekking van penicilline door Alexander Fleming. Fleming was vergeten cultuurmedia voor bacterieën te ontsmetten toen hij op reis vertrok.Bij zijn terugkomst vond hij deze cultuurmedia verontreinigd door schimmels (penicillium notatum).Op sommige plaatsen waren de bacterieën vernietigd.Zijn aandacht werd hierdoor getrokken en zo werd penicilline gevonden.Fleming had ervaring opgedaan op het gebied van antibacteriële stoffen en was dus enigszins voorbereid om aan deze waarneming zijn volle aandacht te schenken. -De X-stralen (of beter de Roentgen stralen) werden toevallig waargenomen door W.Roentgen tijdens het onderzoek van cathodestraal buizen (bv.deze die gebruikt werden in de eerste vorm van TV toestellen).Hij merkte op dat sommige fluorescerende media (bv.schermen),gesitueerd op enige afstand van zijn meetopstelling,oplichtten.Door absorberende materialen (bv.beenderen) tussen de cathode buis en het fluorescerend scherm te plaatsen kon hij foto's maken van inwendige skelet structuren zoals de hand van zijn vrouw. -De ontdekking van LSD door Albert Hoffmann.(Overleden in 2008) Deze wetenschapper beschrijft zelf beter het aspect serendipiteit in het kader van zijn onderzoek:"It is true that my discovery of LSD was a chance discovery,but it was the outcome of planned experiments and these experiments took place in the framework of systematic pharmaceutical,chemical research.It could better be described as serendipirty." Men komt beter tot de uitspraak van Pasteur over "Les esprits préparés" als men weet dat de meeste "toevallige ontdekkingen" gebeuren in het kader van de eigen specialiteit van de onderzoeker. Talrijke voorbeelden uit zeer diverse takken van de wetenschap worden vermeld in:www.wikipedia.org/serendipity. Aan de hand van deze voorbeelden kan men verder de serendipiteit beter illustreren. In mijn eigen onderzoek heb ik verschillende malen toevallige waarnemingen gedaan tijdens het uitvoeren van experimenten.Door voldoende aandacht aan deze observaties te schenken werd,tot driemaal toe,het onderzoek beinvloed en in een vruchtbare richting gestuurd.
Falsificatie theorie in het wetenschappelijk onderzoek.
Een belangrijke faze in het processus van het wetenschappelijk onderzoek is het formuleren van een theorie op basis van een hypothese na het verzamelen van observaties en experimentele data.Om door iedereen aanvaard te kunnen worden moet echter de theorie op haar validiteit getoetst worden.Een techniek om dit te doen berust op de falsificatie theorie bestudeerd en beschreven door Karl Popper. Karl Popper (1902-1994) was de meest vooraanstaande wetenschapsfilosoof van de 20e eeuw (na Bertrand Russell).Hij werd geboren in Oostenrijk,emigreerde in 1937 naar New Zealand om te ontsnappen aan het Nazi regime en kwam daarna in 1946 naar Londen waar hij werkte aan de London School of Economy.Zijn werk "The Logic of Scientific Discovery" (1959) is algemeen herkend als een klassiek in zijn genre.In verschillende domeinen toonde Popper aan dat theorieën die in het begin wetenschappelijk schenen daarna degenereren tot pseudo-wetenschappelijke dogma's (bv.psychoanalyse en marxisme).Dit bracht Popper tot het formuleren van zijn falsificatie beginsel als demarcatie tussen wetenschap en niet-wetenschap.De toepasbaarheid van de falsificatie theorie werd prachtig gedemonstreerd in het geval van de algemene relativiteitstheorie van Einstein.Deze theorie voorzag dat een lichtstraal afgebogen kon worden door een massief lichaam (licht van een ster bij het passeren langs de zon).Dit werd effectief waargenomen tijden een zonne-eclips.De relativiteitstheorie werd dan gepromoveerd tot echte wetenschap en Einstein werd op slag wereldberoemd.Voor Popper was dit niet het geval voor de psychoanalyse en voor het marxisme.In deze gevallen kan er geen falsificatie toegepast worden omdat er steed een ad hoc hypothese kan geformuleerd worden waardoor deze theorieën steeds compatibel blijven met de feiten.Het zijn dus geen echte wetenschappelijke theorieën;in het beste geval is psychoanalyse een pseudo-wetenschap.Karl Popper is wel zo eerlijk om op te merken dat door de vooruitgang een theorie die aanvankelijk als niet-wetenschappelijk bestempeld werd toch nog kan herzien worden en de status van goede wetenschap kan krijgen.Met de vooruitgang op het gebied van de neurobiologie zou dit voor de psychoanalyse misschien wel het geval kunnen zijn.In de laatste jaren schijnt alles in deze richting te wijzen.Voor het marxisme is het wel hopeloos.Een analyse van de falsificatie in het geval van de algemene relativiteitstheorie is goed beschreven in http://www.quackfiles.com.In "Science as falsification" formuleerde Popper zijn visie in zeven belangrijke criteria.Enkele citaten van Karl Popper illustreren de falsificatie van een theorie in het wetenschappelijk onderzoek: a)"We weten nooit of iets waar is;we kunnen alleen weten of iets onwaar is." b)"Hoeveel feiten je ook verzamelt,er blijven er altijd oneindig veel die je niet gezien hebt." Voor a en b is de formulering van Karl Popper duidelijk in de volgende citaten uit "Science as falsification." "With Einstein's theory the situation was strikingly different.Take one typical instance-Einstein's prediction,just then confirmed by the finding of Eddington's expedition.Einstein's gavitational theory had led to the result that light must be attracted by heavy bodies (such as the sun),precisely as material bodies were attracted.As a consequence it could be calculated that light from a distant fixed star whose apparent position was close to the sun would reach the earth from such a direction that the star would seem to be slightly shifted away from the sun;or,in other words,that stars close to the sun would look as if they had moved a little away from the sun,and from one another.This is a thing which cannot normally be observed since such stars are rendered invisible in daytime by the sun's overwhelming brightness;but during an eclipse it is possible to taken photographs of them.If the same constellation is photographed at night one can measure the distance on the two photographs,and check the predicted effect."
What makes a theory scientific? "The big question about a theory is whether it's right or wrong. Unfortunately,it's impossible to know that a scientific theory is right.The theory may agree beautifully with all the evidence,today.But science isn't like mathematics.There can be no guarantee about what evidence we will discover tomorrow.So,we go for the next best thing,which is proving theories wrong.That's easy.You just find some evidence that contradicts what the theory says.The theory is the falsified and stays that way.So,a scientific theory is one which can in principle be falsified.The theory has to make strong statements about evidence.If the statements aren't strong,then the theory fits any evidence and is unfalsifiable.That's bad.It's bad for three practical reasons.First,a theory which can't make predictions is a dead end.Second,it would be useless.Oil companies are very pleased that geologists can predict where to drill for oil.And third,if we have two rival theories,we want to use evidence to choose between them.If they are unfalsifiable,then evidence doesn't do that for us."
De belangrijke fazen van het wetenschappelijk onderzoek.
Hoe in de natuurwetenschappen een onderzoek ondernomen wordt hangt af van zeer uiteenlopende factoren zoals persoonlijke of maatschappelijke belangen.In ieder ondezoek onderscheidt men echter drie belangrijke fazen:de observatie-het experiment -het openbaar maken van de resultaten en/of de theorie.Iedere faze is onontbeerlijk maar het fundamenteel belang van de experimenten is voor iedereen duidelijk zoals blijkt uit de volgende citaten: -Max Planck,de grondlegger van de kwantum theorie,formuleerde het zo in 1900:"Experiments are the only means of knowledge at our disposal.The rest is poetry,imagination."Planck schijnt dus ook het aspect verbeelding in dit citaat te onderstrepen. -Volgens een van de vaders van het elektromagnetisme Michaël Faraday ( de andere is J.C.Maxwell) zijn de data verzameld in de experimenten doorslaggevend:"The facts are the gifts of experiments;without experiments I am nothing." -Dichter bij ons stelde de nederlandse Nobelprijs winnaar Martinus Veltman het zo:"Physics implies that the theoretical ideas discussed must be supported by experimental facts."(zie Facts and Mysteries in elementary particle physics). -Tenslotte nog twee citaten van Henri Poincaré:"It is by logic that we prove but by intuition that we discover." en "L'expérience est la source de la vérité."Men kan niet beter de complementariteit expriment/verbeelding uitdrukken.De experimentele faze kan op haar beurt onderverdeeld worden in de volgende stappen:de analyse van de gegevens bekomen door observatie en door metingen,aan de hand van deze analyse het formuleren van een hypothese,de toetsing van de hypothese op haar geldigheid en,als alles gunstig verloopt,de formulering van een theorie die geopenbaard moet worden om tenslotte aanvaard te kunnen worden. Nu moeten echter nog belangrijke opmerkingen gemaakt worden.Normalerwijze wordt een wetenschappelijk onderzoek uitgevoerd op basis van een referentiekader algemeen aanvaard door de wetenschappelijke gemeenschap op het ogenblik van de uitvoering van het experiment.Dit referentiekader wordt ook paradigma genoemd.Een wetenschappelijke theorie is echter nooit een dogma.Het gebeurt dikwijls dat,na het formuleren van een theorie,feiten aan het licht komen die in het kader van de theorie niet kunnen uitgelegd worden of dat,door de evolutie van de meet- en observatie technieken nieuwe inzichten ontstaan.Het is dan tijd om het gevolgde referentiekader aan te passen.Dit noemt men dan een "paradigma shift".De basis van een paradigma shift werd grondig bestudeerd door Thomas Kuhn (USA 1922-1996) in zijn belangrijk werk van 1962:"The structure of scientific revolutions.-SSR."Om dit aspect van het wetenschappelijk onderzoek te illustreren kan men best enkele voorbeelden van paradigma shift beschrijven.Een eerste voorbeeld vindt men in de astronomie.Tot het begin van de 17e eeuw werd algemeen aanvaard dat de zon rond de aarde draaide.Dit was niet zo verwonderlijk omdat de obervatiemogelijkheden herleid waren tot een eenvoudige visuele waarneming van de opkomende en ondergaande zon.Deze visie werd aanvaard als dogma door de toen gevestigde macht,zeer specifiek door de Katholieke Kerk.Dit kwam neer de mens op aarde centraal te stellen.Hieraan twijfelen werd gelijk gesteld aan ketterij.Sommige hebben door er aan te twijfelen hun leven door verloren (G.Bruno).Op basis van waarnemingen met zelf geconstrueerde telescopen begon Galilei in deze periode belangrijke ontdekkingen te doen door observatie van de hemellichamen.Hiermee begon hij een aanval te doen op de toen gangbare visie.Hij werd daarvoor door de Kerk zeer zwaar gestraft.Zijn visie leidde tot een paradigma shift: niet de zon draaide rond de aarde maar wel andersom de aarde draaide rond de zon.Toen begon men te spreken van "heliocentrisme".De visie van Galilei werd echter verder onderschreven en bestudeerd door geleerden zoals N.Copernicus (men begon dan ook te spreken van de Copernicaanse revolutie) en J.Kepler.Tenslotte werd het geheel van waarnemingen in de astronomie verder uitgebouwd door de grote Isaac Newton.Dit allemaal tijdens de 17e eeuw.Newton gebruikte voor de eerste keer de wiskunde als instrument om de toenmalige kennis een stevige logische basis te geven.Hij beschreef dit allemaal in zijn wereldberoemd werk :"Philisophiae Naturalis Principia Mathematica."In die tijd werd de wetenschap nog als een tak van de filosofie beschouwd.Wie zich nu in de 21e eeuw wetenschapper noemt moet de "Principia" als een fundament van de moderne wetenschap beschouwen.De werken van Newton werden samengevat in de wetten van de zwaartekracht (gravitatie) en vormden het kader van de "Mechanica van Newton".Voor ons dagelijks leven is deze mechanica nog steeds van toepassing.Nochtans.....op het einde van de 19e euw werden waarnemingen gedaan in de astronomie die niet in overeenstemming waren met de theorie nan Newton.Er was dus nood aan een nieuw paradigma shift.Het is Albert Einstein die hiervoor gezorgd heeft met zijn speciale relativiteitstheorie van 1912 en enkele jaren later met zijn algeme relativiteitstheorie die de gravitatiewetten van Newton een nieuwe dimensie gaven namelijk de intieme koppeling van ruimte en tijd en de kromming van de ruimte door de materie.De gevolgen van dit paradigma shift zijn nu nog van kracht.Ze zijn echter niet direct waarneembaar,althans niet in het dagelijks leven.Het is wel de moeite waard te signaleren dat de moderne veel geprezen GPS systemen gebaseerd zijn op de werken van Einstein.Omdat de zoektocht naar kennis in de natuurwetenschap nooit ten einde is,zijn er nu reeds prille aanwijzingen dat er aan de theorie van Einstein hier en daar onvolmaaktheden blijven kleven.Dit is een bewijs dat de zoektocht van de mens naar de kennis van de werkelijkheid steeds voortgaat en,wie weet, misschien nooit zal eindigen. Een analoge evolutie kan beschreven worden voor wat betreft de kennis van de structuur van de materie:van de "ondeelbare" atomen van Democritos tot de hedendaagse fysica van de hoge energîeën die in de 21e eeuw een nieuw elan zal krijgen door de geplande experimenten met de LHC versneller van de CERN in Genève. Er staat ons zeker nog meer te wachten in de natuurwetenschap.
De verbeelding is een essentieel element in de beoefening van de natuurwetenschappen.Uit de literatuur zijn er markante voorbeelden van deze stelling.De allerbelangrijkste is (volgens mij) deze van Albert Einstein die zei dat de verbeelding belangrijker was dan de kennis:"L'imagination est plus importante que le savoir."Niemand wist dit beter dan Einstein want aan de oorsprong van de relativiteitstheorie in 1912 werd er door hem gebruik gemaakt van "gedachte experimenten (Gedanken experiment)" waarin de verbeelding een hoofdrol gespeeld heeft.Een andere groot geleerde die de verbeelding aanprees was Friedrich August Kékulé (1829-1896).Deze duitse geleerde is aan de basis van de chemische structuur van de aromatische structuren (zoals benzeen).Hij is een tijd leraar geweest aan de Universiteit van Gent en is uitzonderlijk hoog gewaardeerd in België;vandaar de regelmatige organisatie van de Kékulé cyclus door de KVCV (Koninklijke Vlaamse Chemische Vereniging) die belangrijke evoluties in de wetenschap aan het groot publiek voorstelt aan de Universiteit van Antwerpen.Kékulé spoorde de wetenschappers aan om te "dromen":"Lernen wir traümen dann finden wir vielleicht die Wahreit".Hiermee bedoelde hij dat een wetenschapper soms over de bekomen resultaten van zijn experimenten moet kunnen "dromen" maw zich erover bezinnen vooraleer een hypothese te formuleren.Persoonlijk ben ik tijdens mijn wetenschappelijke loopbaan geconfronteerd geweest met netelige punten waarvoor op eerste zicht geen verklaring voor gegeven kon worden.Het heeft mij dikwijls geholpen een tijdje afstand te doen van het experimenteel werk en mij in bezinning te verdiepen bv gedurende lange wandelingen en ook soms met een probleem te gaan slapen;de volgende dag scheen er een verklaring in zicht te komen.Dit noem ik echt het "traümen" van Kékulé.Zelfs in de tijd van prestatiedruk,ook in de wetenschap,zou het goed zijn deze gouden regel af en toe te volgen.
Over de essentie van de natuurwetenschap en de eigenschappen ervan.
De beoefening van de natuurwetenschap vertoont een reeks typische aspecten die goed verwoord worden door talrijke belangrijke wetenschappers zoals A.Einstein die schreef dat het doel van iedere intellectuele activiteit is het geheimzinnige tot iets begrijpelijks terug te brengen of zoals Marie Curie die zei:"Ik behoor tot degenen die van mening zijn dat er een grote schoonheid verborgen ligt in de wetenschap".De belangstelling van de mens voor de kennis van de natuur is een fundamentele eigenschap van zijn soort.Van in de tijd van de prehistorie is de mens steeds op zoek geweest naar een uitleg voor de stimuli die op hem afkwamen uit de buitenwereld door zijn zintuigen maar ook vanuit het binnenste van zijn eigen lichaam.Met de evolutie van het bewustzijn en de hiermee gepaard gaande steeds groeiende werking van de cognitieve eigenschappen is onze soort nu meer dan ooit op zoek gegaan naar de kennis van de werkelijkheid;deze zoektocht is zeker nog ver van gedaan.Alles begon met de VERWONDERING zoals Aristoteles het reeds formuleerde.Maar de VERWONDERING moet steeds gepaard gaan met de noodzakelijke VERBEELDING.Hiervan getuigen een reeks citaten die verder zullen aangehaald worden.
