Thermometer (1) - Wat is wetenschap?

De functie van wetenschapsfilosofie

Wat is de wetenschap? Iedereen spreekt over haar, over haar inzichten en hoe we ons leven moeten inrichten volgens die inzichten. Als het er echter op aankomt om te bepalen wie zij is, dan blijkt haar gelaat gehuld in nevelen. Wetenschappers spreken zelden over het wezen van hun activiteit, en als ze dat doen, is dat aarzelend. Wetenschap laat zich immers niet op eenzelfde manier benaderen als de beweging van een bal op een hellend vlak. Evenmin als de beweging van die bal gemakkelijk te vatten is in concepten, is ook wetenschap een weerbarstig object van interpretatie, en in tegenstelling tot die eerste uitdaging is de interpretatie van wetenschap geen activiteit waar wetenschappers zelf om bekommerd zijn.


Een rollende bal op een hellend vlak - het object bij uitstek voor wetenschappelijk onderzoek

Wetenschap "in actie" (of toch volgens Wikipedia) - een weerbarstig object

Op de Engelstalige wikipedia definieert men wetenschap als “een systematische onderneming die kennis construeert en organiseert in de vorm van testbare verklaringen en voorspellingen over het universum”. In het Nederlands ziet men wetenschap als “de systematisch verkregen, geordende en controleerbare menselijke kennis, én het bijbehorende proces van kennisverwerving als de gemeenschap waarin deze kennis wordt verzameld”. Wetenschap kan je dus niet alleen begrijpen als de realisatie van kennis, maar ook als een proces, als een sociale activiteit. In de Engelse wikipedia heeft wetenschap het universum als object, in de Nederlandse niets in bij het bijzonder (en in principe daarom in principe "alles"). In de Oxford English Dictionary wordt wetenschap niet verenigd met haar resultaat (kennis), maar met een zoektocht (een studium, een verlangen): “de intellectuele en praktische activiteit die de systematische studie omvat van de structuur en het gedrag van fysische en natuurlijke wereld aan de hand van observaties en experimenten”. Hier is de fysische en natuurlijke wereld het object van verlangen, vermoedelijk in contrast met de culturele wereld (al is dat allesbehalve duidelijk). Alle definities hebben een methodologische component: men spreekt over een zekere systematiek, over controleerbaarheid, over observaties en experimenten. Wanneer je echter voorbij deze oppervlakkige ideeën over wetenschap wil komen, dan moet je aan interpretatie doen. Wat zijn de eigenschappen van kennis en hoe produceert wetenschap als sociaal en als rationeel proces die kennis? Wat houdt systematiciteit van wetenschap in? Wat is een observatie of een experiment?



Wie deze interpretatie aangaat, doet aan wetenschapsfilosofie. Net zoals de fysicus de beweging van de bal op het hellend vlak tot object van studie maakt, maakt de wetenschapsfilosoof wetenschap tot object van studie. Hedendaagse wetenschappers lopen niet erg hoog op met wetenschapsfilosofie: in de curricula aan de universiteit wordt het vaak in een keuzevakje weggestopt. Er mag wel een eerste aanraking zijn met filosofie - een proevertje-, maar veel goeds verwachten wetenschappers niet van een grondige filosofische studie. In tv-studio’s en financieringsinstellingen zijn wetenschappers er als de kippen bij om te benadrukken hoezeer hun onderzoek voortbouwt op de recentste inzichten, maar voor de wetenschapsfilosofie acht men het voldoende om bij de oppervlakkige platitudes uit het verleden te blijven. In mijn universitair handboek Natuurkunde is er op de eerste pagina van het boek nog een verwijzing naar Aristoteles en Galileo Galilei als "grote geesten" waaruit de natuurkunde voortkwam, maar verder dan zo’n oppervlakkige verwijzing gaat het niet. "State of the Art" wetenschapsfilosofie doet er eigenlijk niet toe.

In het verleden lag dat anders: belangrijke wetenschappers in de 17de eeuw als Descartes (1596-1650) of Newton (1643-1727) waren uitermate bekommerd om het statuut van hun theorieën. Welke soort kennis streven theorieën na, hoe bereiken theorieën die doelstellingen? Het waren vragen die Descartes en Newton bezig hielden - het onderscheid tussen wetenschap en filosofie bestond toen nog niet, de studie van de wereld en de reflectie op die studie waren nog één en hetzelfde, namelijk "natuurfilosofie". In een recenter verleden, toen de kloof tussen wetenschap en filosofie wel reeds bestond, loofde Einstein (1879-1955) het filosofische werk van Ernst Mach (1838-1916) nog als één van de belangrijkste bronnen voor zijn relativiteitstheorie. In de loop van de twintigste eeuw zijn filosofie en wetenschap echter definitief uit elkaar gegroeid, zowel conceptueel als disciplinair. De geschiedenis van de wetenschapsfilosofie in de twintigste eeuw is één tragische poging om die kloof opnieuw te dichten. De laatste dertig jaar hebben professionele wetenschapsfilosofen geprobeerd een brug te slaan naar de wetenschap door te focussen op specifieke wetenschappen in plaats van wetenschap in het algemeen. Het is immers gemakkelijker om relevantie te claimen voor filosofie binnen een specifiek wetenschapsdomein dan voor wetenschap in het algemeen. Het resultaat is dat elke wetenschappelijke discipline sinds de laatste twintig jaar ook een eigen filosofie heeft, van filosofie van de fysica, tot filosofie van de neuropsychiatrie. Of dat een prijzenswaardige evolutie is, is een andere kwestie.


Toch blijft de vraag wat wetenschap in het algemeen is, een cruciale vraag. Zowel in media, als in financieringsorganen als in de publieke verbeelding spreekt men over wetenschap als een overkoepelend proces dat de verschillende specifieke wetenschappen omvat. Kernfysici, klimaatwetenschappers of literatuurwetenschappers worden gefinancierd door de overheid alsof zij deel uitmaken van één en dezelfde waardevolle, overkoepelende activiteit. Het publieke vertrouwen in wetenschap gaat ook niet over een vertrouwen in slechts één concreet deelgebied - het gaat over een vertrouwen in het algemeen. Wat is het dat al die verschillende activiteiten onderdeel maakt van hetzelfde geheel? Het lijkt een ogenschijnlijk simpele vraag, maar een goed antwoord is niet gemakkelijk te vinden.


Thermometer

In een nieuwe reeks van teksten ga ik deze vraag exploreren aan de hand van een paradigmatisch voorbeeld van wat wetenschap is, en een ware klassieker in de wetenschapsfilosofie: de thermometer, een ogenschijnlijk eenvoudig instrument dat overal in ons dagelijks leven terugkomt, in de auto, de koelkast, de smartphone of de verwarmingsinstallatie, een instrument dat het mogelijk maakt om uitspraken te doen over de toestand van ons mondiaal klimaat, een instrument zonder het welke ons leven er radicaal anders zou uitzien. Aan de hand van dat instrument wil ik drie aspecten van wetenschap exploreren; wetenschap als


a) een vorm van denken,

b) een vorm van handelen en

c) een vorm van sociale organisatie.


In eerste instantie denken mensen dat wetenschap alleen een vorm van denken is, bijvoorbeeld de toepassing van één redeneerschema, zoals het hypothetisch-deductief model, dat hieronder in schematische vorm is weergegeven - een schema dat overal opduikt wanneer mensen snel even willen uitleggen wat wetenschap is.


Wetenschap als Denken

Twee belangrijke eigenschappen van wetenschappelijk denken komen hieruit naar voren. Ten eerste, wetenschappelijk denken gaat over de relatie tussen theorie en observatie. Theorie wordt getest door observaties en observaties worden geïnterpreteerd door theorieën. Het schema geeft verder niet veel inzicht. Hoe we die relatie moeten begrijpen blijft een mysterie gesymboliseerd door een pijl van het ene naar het andere. Om te begrijpen hoe theorieën en observaties met elkaar in verband gebracht kunnen worden, zal het belangrijk blijken om wetenschap ook te begrijpen als een vorm van handelen en sociale organisatie. Ten tweede, is het schema cyclisch: wetenschappelijk denken bereikt nooit een eindpunt. Maar wat is dan het doel van de cyclus? Aan de hand van de thermometer kunnen we ontdekken dat wetenschap meer is dan dit schema en meer inhoudt dan redeneren alleen.


Koud en warm: Kwalitatieve concepten

Iedereen is vertrouwd met warmte en koude. Als warmbloedige dieren zonder isolerende pels kunnen we niet anders dan erom bekommerd zijn. Wie zich niet aanpast aan langdurige warmte of koude, wordt zwak of ziek. Het weer is bijgevolg één van de meest universele gespreksonderwerpen tussen mensen - we staan ermee op en gaan ermee slapen. Warmte en koude vormen het ritme van onze dagen. Daarnaast kunnen extreme hitte of koude ons ook ernstige blessures opleveren. Als kind moeten we leren om beide te vermijden. Een brandend vuur is te warm, een werkend kookfornuis raak je best niet, kokend water is gevaarlijk, maar een tas met kokend water kan, onder de juiste omstandigheden, wél aangeraakt worden.


Warm en koud zijn concepten die ons helpen een weg te vinden in onze alledaagse handelingen.

Die concepten zijn kwalitatief: zij drukken uit of een object, zoals een pot of een tas, een bepaalde eigenschap heeft. Ofwel heeft het object die eigenschap of wel niet. In het alledaagse spreken zijn die kwalitatieve concepten uiterst context-gevoelig: welke objecten eronder vallen is niet stabiel. “Warm” betekent iets anders in de badkamer of de keuken, en weer helemaal iets anders voor het weer of het klimaat. In de keuken kan water te koud zijn om mee te koken, terwijl we het warm zouden noemen in de badkamer. Omwille van die contextgevoeligheid zijn warm en koud uiterst handige concepten: je kan ze in een breed scala van praktijken hanteren om iets duidelijk te maken over objecten. Dat is echter ook hun grootste nadeel: wie niet vertrouwd is met het gebruik van de concepten in een bepaalde context, loopt al snel verloren in het gebruik ervan. Het nut van de concepten is afhankelijk van de mate waarin de gebruikers een vertrouwdheid met de context van gebruik delen. Pottenbakkers, patissiers of ijzersmeden kunnen de concepten enkel gebruiken in zoverre ze duidelijk gespecificeerd zijn voor hun context. Daarnaast zijn warm en koud ook niet in staat om toestanden van verschillende objecten met elkaar te vergelijken. Een tas koffie en een gloeiend hete bakplaat zijn beiden warm, maar daarmee weet je niets over de verhouding van de ene tot de andere.

Kouder en warmer: Comparatieve concepten

Om dat probleem van vergelijking tussen objecten op te lossen hebben we in de natuurlijke taal warmer en kouder. Dat zijn comparatieve concepten: zij drukken een relatie uit tussen de toestanden van objecten. Kokend water is warmer dan lauw water, terwijl lauw water kouder is dan kokend. Aan de hand van die relaties kan je ook beginnen redeneren over de toestand van objecten - je kan nieuwe informatie afleiden uit de informatie die je reeds beschikbaar hebt. Bijvoorbeeld, als kokend water warmer is dan lauw water, en lauw water is warmer dan ijswater, dan kan je daaruit afleiden dat het kokend water warmer is dan het ijswater. Dit is weergegeven in het volgende redeneerschema:


Object 1 is warmer dan Object 2

Object 2 is warmer dan Object 3

-> Object 1 is warmer dan Object 3


Een orde (ratio) waarin alle objecten "in principe" gerangschikt kunnen worden

Op die manier introduceren warmer en kouder het idee van een algemene orde (ratio) der dingen van koud naar warm. De orde tussen de toestanden van eender welk object kun je hierdoor in principe uitdrukken aan de hand van drie types verhoudingen: groter dan, kleiner dan en gelijk aan. Die orde is echter niet precies: kokend water en bevroren water, daar zijn de meeste mensen in gematigde klimaten mee vertrouwd als bekende uitersten. Aan de hand van ovens kunnen we bemerken dat iets warmer kan worden dan kokend water. En aan de hand van aanhoudende vrieskou voelen we dat de lucht ook kouder kan worden dan de vriestemperatuur van water. Warmer en kouder verliezen echter hun nut als concepten voorbij het menselijke bereik van ervaring. Toch zijn ze uitermate bruikbaar: om te bepalen of iemand koorts heeft, is aanraking opvallend efficiënt. "Mijn patiënt is warmer dan ik" - duizenden jaren kon een dokter op die manier de aanwezigheid van koorts vaststellen en dokters die het genoeg deden, waren zelfs in staat om te bepalen hoe ernstig de koorts was. Zoals bij hun kwalitatieve versie, zijn de concepten warmer en kouder in hoge mate afhankelijk van opgedane ervaring. Een ervaren arts kan de ernst van koorts misschien wel inschatten, maar wie die ervaring mist, tast in het ongewisse. Daarnaast laten de concepten veel ruimte voor dispuut. Verschillende artsen kunnen de ernst van de koorts anders inschatten, en er is geen enkel criterium buiten hun eigen ervaringsoordeel om dat verschil te beslechten. Bovendien blijft het vermogen om te redeneren op basis van comparatieve concepten beperkt: je kan niet uitdrukken hoeveel meer of minder warm/koud objecten zijn ten op zichtte van elkaar. Een thermometer moet beide problemen oplossen: de context-en ervaringsgevoeligheid elimineren en het vermogen tot redeneren over en ordenen van de warmte van objecten uitbreiden.


Temperatuur: kwantitatieve concepten

Een thermometer is een instrument waarmee je de warmte-toestand van een object kunt meten - die warmte-toestand gaan we vanaf nu temperatuur noemen (de vraag wat temperatuur is laten we voorlopig buiten beschouwing). Dit is een nieuw soort concept, een kwantitatief concept dat ons in staat moet stellen om objecten niet alleen ten op zichtte van elkaar te rangschikken (zoals comparatieve), maar ook numeriek de verhouding tussen de toestanden van die objecten uit te drukken, zoals in de redenering hieronder.


Object A is 2 keer warmer dan Object B

Object B is 8 keer warmer dan Object C

-> Object A is 16 keer warmer dan Object C


De betekenisvolheid van temperatuur als kwantitatief concept hangt samen met de thermometer als instrument om temperatuur te meten. De constructie van zo'n meetinstrument is allesbehalve vanzelfsprekend. Elke meting gaat uit van de mogelijkheid om een onbekende toestand (wat je wilt meten, in dit geval temperatuur) te bepalen aan de hand van een bekende toestand.

Een overdrijving. De variatie in volume is in werkelijkheid moeilijk zichtbaar.

In het geval van temperatuur is een voor de hand liggende kandidaat om een meetinstrument mee te bouwen de variatie in volume. Materialen zetten uit en krimpen in samen met de temperatuurvariatie der seizoenen. Elke hout-en metaalbewerker kent deze fenomenen. In traditionele bouwkunst is een belangrijk deel van de opdracht te bepalen hoeveel ruimte je moet laten in je houtverbindingen om de volumeverschuiving van je hout mogelijk te maken doorheen de seizoenen. Te weide verbindingen resulteren in een onstabiele constructie, te nauwe verbindingen resulteren in stress op het hout. Beide zijn onwenselijk. De kennis van de relatie tussen temperatuursvariatie doorheen seizoenen en volumevariatie was millennia-lang in eerste instantie een louter praktische kennis. De kennis was erop gericht om stabiele constructies te maken. De doelstelling van die kennis was gericht op het in stand brengen en houden van specifieke materiële constructies. Met die praktische kennis kun je echter niet aan de slag gaan om temperatuur in het algemeen, onafhankelijk van praktische doeleinden, te meten. Waar begin je dan wel?


Niet alleen vaste materialen zoals metalen of hout zijn onderhevig aan volumeverandering, ook lucht en en vloeistoffen. Hieronder zie je twee volumes water. In de linker foto zie je tweemaal hetzelfde volume water, maar op een verschillende temperatuur. In kolom A is het water op kamertemperatuur, in kolom B is de temperatuur van het water net onder het kookpunt (het is water dat kokend in het volume werd gegoten totdat exact 200ml water werd bereikt). In de tweede foto zie je hetzelfde water, maar dan een uur later, wanneer beide volumes water op kamertemperatuur zijn. Het volume in A en B is niet langer hetzelfde: het water dat voorheen een kokende temperatuur had bereikt in kolom B, is ondertussen in volume licht gekrompen, terwijl het volume water is A stabiel is gebleven.



Naast de expansie van vloeistoffen, zoals water, kan je ook gebruik maken van de expansie en contractie van een volume van lucht. Hieronder zie je een opstelling waarbij een volume van lucht gevangen zit in een buis. Aan de bovenkant houdt de afsluiting van de buis de lucht tegen, aan de onderkant is het een volume water.

De gevangen lucht zal uitzetten wanneer haar temperatuur stijgt, en terug inkrimpen wanneer die daalt. In de video hieronder zie je hoe het volume lucht stijgt wanneer het opgewarmd wordt met vuur.


Aan de hand van variatie in volume van een vloeistof of lucht (een gas) toont zich een mogelijkheid om temperatuur te meten: een instrument dat uitdrukt hoe kwantitatieve verschillen in volume van een vloeistof/gas overeenkomen met kwantitatieve verschillen in temperatuur. In het voorbeeld met het water hierboven zou idealiter het verschil van ongeveer 12ml (12 kubieke cm) een verschil uitdrukken in temperatuur tussen beide volumes van water. Uiteraard tonen de foto's onmiddellijk al één probleem: water verdampt, en die verdamping is niet gelijk als de volumes water niet op dezelfde temperatuur beginnen. Wellicht verdampte er meer water in volume B dan in volume A doorheen de tijd, waardoor dat verschil van 12ml niet alleen het verschil uitdrukt in temperatuur, maar ook een verschil in verdamping. Ook in het voorbeeld met de lucht is er een probleem: het volume van de gevangen lucht is niet alleen afhankelijk van de temperatuur van die lucht, maar ook van de druk die de omgevingslucht uitoefent op de waterkolom.


Een thermometer voldoet aan het ideaal waarbij de verschillen in volumes (die we kunnen meten) enkel en alleen verschillen in temperatuur uitdrukken - het is de hoop dat deze relatie tussen volume en temperatuur ook uitgedrukt kan worden in numerieke verhoudingen. De zoektocht naar een thermometer is de zoektocht naar de verwezenlijking van dat ideaal, en precies die zoektocht is in staat om de aard van wetenschap in haar moderne vorm minstens gedeeltelijk te onthullen. In de volgende aflevering van deze reeks ga ik, op basis van de bevindingen van enkele pioniers van de thermometrie in de 17de eeuw, zelf op zoek naar een uitvoering van het thermometer-ideaal met de middellen die een een twintigste eeuwse burger ter beschikking heeft.