Meten = Weten > Welvaart

Lees hier het pdf van dit artikel. Zonder meten zou de moderne wetenschap niet bestaan. En zonder de moderne wetenschap zouden we niet in zoveel welvaart baden als we nu doen. Dirk van Delft, directeur van Museum Boerhaave in Leiden, illustreert hoe de wetenschap zich sinds de klassieke oudheid heeft ontwikkeld en hoe we voor onze welvaart en ons welzijn inmiddels volledig afhankelijk zijn van experimenteel onderzoek en de wisselwerking tussen theorie, meten en de cijfers achter de komma. Het heeft ons de transistor opgeleverd, de genetische code en de MRI-scanner: wat je vandaag meet kan morgen geld opleveren. Door Dirk van Delft ‘Door meten tot weten, zou ik als zinspreuk boven elk physisch laboratorium willen schrijven.’ Aldus Heike Kamerlingh Onnes in zijn oratie als hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit Leiden, op 11 november 1882. Deze kampioen van de kou, die als eerste helium vloeibaar maakte en in 1911 supergeleiding ontdekte (beide toegepast in deeltjesversnellers maar ook in de MRI-scanner die onze hersenpan in beeld brengt), ging voor zoveel mogelijk cijfers achter de komma – om zo de natuur haar geheimen te ontfutselen. Zonder meten gaat het niet in de moderne wetenschap. Hogere dimensies in ruimte en tijd, parallelle universums: het zijn fascinerende denkbeelden, goed voor talloze bestsellers. Maar zolang er niet aan te meten valt, zolang het kwantitatieve experiment er geen vat op heeft, is het vooral luchtfietserij. Eigenschappen zijn pas wetenschappelijk interessant als er getalswaarden aan zijn toe te kennen, als we ze kunnen meten. Temperatuur, druk, stroomsterkte, tijd: we kunnen ze uitdrukken in een maat en met de getallen die dat oplevert ons voordeel doen. Maar het is onverstandig en kortzichtig het bij meten te laten. Ook theorie is onmisbaar omdat het ideeën genereert over wat nu eigenlijk interessant is om te meten. Interessant in de zin van dat meetuitkomsten helpen de werkelijkheid te structureren en te doorgronden. Theorie versus metingen Moderne wetenschap volgt een spiraal. Uitgaande van wat je weet maak je een model dat, zo goed en zo kwaad als het lukt, de werkelijkheid recht doet. Zo’n theorie doet ‘vanzelf ’ voorspellingen over zaken die buiten de kennishorizon liggen. Metingen (als uitvloeisel van doordachte experi menten) brengen het onontgonnen terrein in kaart en spelen voor scherprechter. De prullenbakken van de wetenschap puilen uit van theorieën waar de werkelijkheid niet aan wil. De theoretisch fysicus Peter Higgs van het roemruchte Higgs-deeltje kreeg zijn briljante ingeving over de bouwstenen van de materie in 1964, tijdens een wandeling in de Schotse hooglanden. Een halve eeuw onzekerheid volgde, tot afgelopen voorjaar de Geneefse LHC-deeltjesversneller zijn deeltje dan toch boven water haalde. Pas nu kan de Nobelprijs de inmiddels 83-jarige Higgs niet meer ontgaan. Bij leven en welzijn. Meten zonder onderliggende gedachte, zonder theorie, levert feitenkennis maar geen inzicht. Feiten als postzegels, als antwoorden op losstaande vragen. Leuk, maar: so what? Dat verandert zodra in die vragen een gedachte schuilt. Ook in de klassieke oudheid waren er die de aarde als een bol zagen, in plaats van als platte schijf (de Flat Earth Society houdt de platte aarde manmoedig in leven). Vanzelf rijst dan de vraag hoe groot die bol is. Hoe meet je dat? In de derde eeuw voor Christus pakte de Griek Eratosthenes dat slim aan. In twee steden, Alexandrië en Aswan mat hij dezelfde dag hoe hoog de zon aan de hemel kwam. Samen met de afstand tussen beide plaatsen, en wat goniometrie, leverde hem dat een aardomtrek op van 250.000 stadiën – verrassend dicht bij de moderne waarde van 40.000 kilometer. De notie van een draaiende aarde gaf in de achttiende eeuw dit onderwerp een extra twist. Er rees controverse over de vorm van de aarde. Was deze als gevolg van rotatie en daarmee gepaard gaande middelpuntvliedende krachten afgeplat, zoals de Franse geleerde Maupertuis beredeneerde (op basis van Isaac Newtons mechanica)? Of was de aarde juist in de richting van de draai-as uitgerekt, wat de Italiaanse astronoom Cassini op basis van zijn waarnemingen meende te moeten stellen? Theorie versus metingen: had de aarde de vorm van een mandarijn of citroen? Omdat de grootte van Frankrijk in het geding was, stuurde koning Lodewijk xv Maupertuis op expeditie naar Lapland om er de afstand tussen twee opeenvolgende breedtegraden op te meten, en de uitkomst te vergelijken met de thuiswaarde. In 1738 publiceerde Maupertuis een uitermate kleurig reisverslag (hij nam op de thuisreis twee Lapse meisjes mee) met als wetenschappelijke uitkomst dat hij en niet Cassini gelijk had: de aarde was een mandarijn. Robert Bunsen, vermaard chemicus te Heidelberg en uitvinder van de bunsenbrander, haatte theorie. Eén zorgvuldig vastgesteld experimenteel scheikundig feit, aldus een van zijn favoriete uitspraken, was hem liever dat alle theorieën bij elkaar. Maar meten moet je doen met een idee in je hoofd. Anders blijf je de postzegelverzamelaar! Experimenteel onderzoek Het primaat van experimenteren en meten is relatief jong. Natuurwetenschappers heetten vroeger natuurfilosofen. Altijd zijn er wijsgeren geweest die meenden het wezen van de werkelijkheid met louter denkkracht te kunnen achterhalen. Aristoteles (derde eeuw voor Christus) ging uit van vier oerelementen (water, aarde, lucht, vuur) omgeven door ether en plaatste de aarde in het middelpunt van het heelal. Een steen valt omdat hij naar zijn natuurlijke plek wil; niet-rechtlijnige beweging op aarde is onnatuurlijk. De Griek onderscheidde het actueel- en potentieel zijnde, liet het regenen omdat de planten water nodig hadden (teleologie) en plaatste hemellichamen in perfecte cirkelbanen in een onveranderlijk bovenmaanse. Een overkoepelend wereldbeeld dat de Kerk in licht aangepaste vorm omarmde en dat tot diep in de zeventiende eeuw aan de universiteiten gezag genoot. Empirische alledaagse kennis hoorde erbij maar dat gold niet voor het experiment. De natuurlijke orde der dingen bestuderen door in die orde met experimenten in te grijpen en zo die orde met harde hand te verstoren werd beschouwd als absurd en volstrekt nutteloos: de natuur ‘dwingen’ zich langs niet natuurlijke weg prijs te geven was in de klassieke Aristoteliaanse traditie ondenkbaar. Wetenschap zoals we die nu praktiseren bouwt voort op de Wetenschappelijke Revolutie van de zestiende en zeventiende eeuw. Het was E.J. Dijksterhuis die in zijn magnum opus De mechanisering van het wereldbeeld (in 1951 goed voor de P.C. Hooftprijs) poneerde dat de werkelijke vernieuwing binnen die revolutie niet bestond in het construeren van een aanschouwelijk verklaringsmodel of het toepassen van een experimentele onderzoeksmethode. Die waren al eerder toegepast, zij het dat het experimenteren vooral diende om een reeds met het hoofd getrokken conclusie achteraf nog even te verifiëren. De kern waar het om draait, aldus Dijksterhuis, was het opstellen van een wiskundige beschrijving van de natuur. De taal der natuur is die van driehoeken en cirkels, schreef Galilei, en na de meetkunde zijn daar de abstracte algebra bijgekomen. Een moderne natuurwetenschappelijke theorie zit vol wiskunde, soms speciaal voor de gelegenheid ontwikkeld, en mondt uit in al dan niet ingewikkelde formules (met Einsteins E = mc2 als beroemdste). Meten = Weten > Welvaart Uitgekiende experimenten zetten de moderne wetenschapper niet alleen op het spoor van zo’n theorie, ze moeten ook uitwijzen of een en ander deugt. Dat lukt verreweg het beste in een laboratorium, onder gecontroleerde condities en bij omstandigheden die in de alledaagse wereld soms ver te zoeken zijn. Experimenteel onderzoek kan tot doel hebben om fundamentele vragen over de natuur op te lossen. Bestaat het Higgs-deeltje? Wat is de oorsprong van het heelal? Maar evengoed ligt de drijfveer vaak in de sfeer van mogelijke toepassingen. Toepassingen die onze welvaart en ons welzijn ten goede komen. Kunnen we nieuwe materialen ontwerpen op de schaal van individuele atomen? Hoe verlopen biochemische reacties in de levende cel? Welke genetische veranderingen bepalen het ontstaan van kanker? Fundamenteel onderzoek heeft onze maatschappij de transistor opgeleverd, de genetische code, exoplaneten, Majorana-deeltjes en de mri-scanner. Dat laatste apparaat leverde in 1977 zijn eerste opnames, terwijl supergeleiding in 1911 is ontdekt. Sommige toepassingen laten even op zich wachten. Door meten tot weten tot welvaart – sinds de Industriële Revolutie een ijzeren waarheid. Wat je vandaag meet kan morgen geld opleveren. Maar soms duurt het tot overmorgen. Geef dat meten uit nieuwsgierigheid toch de ruimte! Toen Michael Faraday, in 1821 uitvinder van de elektromotor, de Britse minister-president in zijn laboratorium op bezoek kreeg antwoordde hij op de vraag naar het nut van elektriciteit: ‘Grote kans dat u er spoedig belasting over kunt heffen.’ Moderne communicatie drijft op micro-elektronica en nanochips. Van wat in 1948 in Bell Labs van at&t begon met een in elkaar geknutselde transistor loopt een directe lijn naar de clean rooms van hightechbedrijf ASML in Veldhoven. Wat we kunnen maken en meten, en hoe nauwkeurig, hangt samen met ontwikkelingen in de techniek. En nieuwe techniek, nieuwe meettoestellen en -instrumenten, vloeien weer voort uit nieuwe wetenschap. Zo grijpt alles in elkaar: vooruitgang in de wetenschap dankzij vooruitgang in de techniek en andersom. Intussen wordt de natuur in het laboratorium genadeloos op de pijnbank gelegd – Goethe zou zich omdraaien in zijn graf. Vacuümkamers zo ijl als de kosmos, atomen afgekoeld tot een biljoenste graad boven het absolute nulpunt, high speed camera’s met een miljoen opnames per seconde: ze dwingen de natuur te antwoorden op vragen die tot voor kort achter de horizon lagen. Meetinstrumenten zijn cruciaal om die antwoorden te kunnen registreren. Hun prestaties hebben een enorme vlucht genomen. Ooit was kosmologie, de studie van het totale heelal, bij gebrek aan harde empirische kennis een vak voor wijsgeren en astrologen. De telescoop, in 1608 het eerste wetenschappelijke instrument, heeft die situatie radicaal veranderd. Estec in Noordwijk bouwt ultragevoelige detectoren waarmee satellieten een fietsachterlicht in de ruimte al kunnen zien op een afstand gelijk aan die van de aarde tot de maan. Al dat meten heeft ons beeld van de kosmos scherpte gegeven. Inmiddels weten we dat 13,7 miljard jaar geleden ons heelal begon met een Oerknal en dat we een immense koude leegte in het verschiet hebben. Kosmologie is opgeklommen tot empirische exacte wetenschap. Inclusief nog onbeantwoorde vragen. Hoe zit het met de donkere materie die ons heelal overspoelt? Meetinstrumenten zo groot als een voetbalstadion moeten ons antwoorden leveren. Welk nut die donkere materie heeft? Misschien betalen we er nog eens belasting over!   Dirk van Delft is directeur van het Leidse Museum Boerhaave, het Rijksmuseum voor de geschiedenis van de Natuurwetenschappen en van de Geneeskunde, en bijzonder hoogleraar Materieel erfgoed van de natuurwetenschappen aan de Universiteit Leiden. Hij is o.a. lid van de Nationale UNESCO Commissie, lid van het Platform Bèta-Techniek en lid van de commissie Wetenschapsgeschiedenis van de KNAW.   Heeft dit artikel uw interesse gewekt? Klik dan hier voor meer info en abonnementen. – – Dit artikel verscheen in idee nr. 5 2012: Meten is weten, en is te vinden bij het onderwerp wetenschap.