Wat is wetenschap?

De bewering dat het 's nachts en 's winters kouder is dan respectievelijk overdag en 's zomers is, wanneer het gebaseerd is op die twee jaar met metingen van die ene wetenschapper, is nogal een boude bewering. Het zou best kunnen dat het klopt, maar het is wat weinig data om een harde conclusie te kunnen trekken. We noemen die bewering een hypothese: het lijkt er sterk op dat dit wel eens zo zou kunnen zijn (misschien zowel uit de metingen als uit het feit dat het klopt met hoe de Aarde om de Zon draait), maar er is meer onderzoek nodig om uit te sluiten dat dit toevallig twee bijzondere jaren waren, dat de meetinstrumenten van de onderzoeker niet kloppen of dat de wetenschapper een fout heeft gemaakt.

Met de hypothese kun je voorspellingen doen. Zou zou de hypothese voorspellen dat het de jaren na de metingen óók nog 's nachts en 's winters koud zal zijn. Wat er dan in de wetenschap moet gebeuren is dat andere wetenschappers vergelijkbaar onderzoek gaan doen, op een vergelijkbare manier. Zij zullen mogelijk andere meetinstrumenten (thermometers) kiezen en misschien ieder kwartier willen meten en op meerdere plaatsen in Nederland tegelijk, en ook langer dan twee jaar, maar in essentie zullen hun meetmethoden lijken op die van het eerste onderzoek: systematisch de temperatuur meten en die meting registreren. En dan wordt het spannend. Klopt de hypothese nog steeds als 100 wetenschappers 10 jaar lang minstens ieder uur de temperatuur meten?

Als dat niet zo is, bijvoorbeeld doordat het in sommige jaren 's winters duidelijk warmer is dan 's zomers, dan moet de hypothese overboord. Het leek veelbelovend, maar blijkbaar waren de eerste twee jaar een toevalstreffer of er was iets mis met dat eerste onderzoek. Want als 100 wetenschappers die 10 jaar onderzoek doen allemaal hetzelfde vinden en wat anders dan één wetenschapper die twee jaar onderzoek doet, dan zijn die 100 resultaten betrouwbaarder dan dat ene. De wetenschap is dus zelfcorrigerend: als alles werkt zoals het zou moeten, komen gemaakte fouten vanzelf aan het licht en worden ze verbeterd. Ook dat is onderdeel van de wetenschappelijke methode.

Daarnaast is het mogelijk dat van de 100 wetenschappers 95 min of meer hetzelfde vinden, en de andere vijf iets dat duidelijk afwijkt. Ook in dat geval zullen de 95 resultaten betrouwbaarder zijn dan de andere vijf. De wetenschappers zullen dan extra onderzoek doen naar die vijf gevallen. Is er iets dat die afwijkingen kan verklaren. Als alle afwijkingen hetzelfde zijn en de vijf wetenschappers dezelfde thermometer gebruiken, die afwijken van de andere 95 thermometers, dan ligt het voor de hand dat er misschien iets mis is met de thermometers, met het uitlezen ervan of met de interpretatie van hun data (dat is een hypothese op zich, die getoetst kan worden).

Ten slotte kan het zijn dat de 100 wetenschappers allemaal vinden dat het inderdaad 's winters kouder is dan 's zomers en 's nachts kouder dan overdag. Ze zullen niet allemaal exact dezelfde waarden vinden,¹ maar wel dag in dag uit, jaar in jaar uit dezelfde trends. In dat geval zullen ze concluderen dat de hypothese een goede hypothese is, die bruikbaar is en waar je voorspellingen mee kunt doen ("komende winter wordt het kouder dan nu in de zomer").

De gevonden temperatuurveranderingen zijn (veel) te systematisch om toeval te zijn: het lijkt of er meer achter zit. Andere wetenschappers is al opgevallen dat overdag en in de zomer de Zon hoger aan de hemel staat dan 's nachts en in de winter. Ook hebben zij ontdekt dat de Aarde jaarlijks in een baan om de Zon draait en dagelijks om haar eigen as. Hiermee kunnen zij schetsen hoe Nederland overdag naar de Zon toegekeerd is en 's nachts er vanaf. Doordat ze zien dat de sterren iedere nacht om een andere as lijken te draaien dan gedurende een jaar, hebben zij in hun schets de rotatie-as van de Aarde onder een hoek gezet ten opzichte van de baan van de Aarde om de Zon. Hierdoor komt de Zon 's zomers in Nederland hoger aan de hemel dan 's winters, en zijn de zomerdagen langer dan de winterdagen.

Wat zij hebben gedaan is een (geometrisch) model opgesteld van hoe de Aarde zich in het heelal gedraagt. Met zo'n model kun je je in gedachten voorstellen hoe dat er van buitenaf uit zou zien. Maar veel belangrijker nog is dat je met dit model kunt rekenen. Als je uitrekent hoeveel zonlicht Nederland overdag ontvangt (soms wat meer, soms wat minder) en hoeveel 's nachts (niets), dan kan dat verklaren waardoor het overdag warmer is dan 's nachts. En uit het model volgt ook dat er 's zomers meer zonlicht op Nederland valt dan 's winters. De berekeningen van het model passen vrijwel precies op de metingen van de temperatuur. Zij concluderen dus dat dit een goed model is, dat de temperatuurveranderingen kan verklaren.

De vraag of het model ook exact overeenkomt met de werkelijkheid is moeilijker te beantwoorden. Maar doordat het model de werkelijkheid goed kan beschrijven is dat iets minder belangrijk. Het model kan ook voorspellingen doen. Zo zal het geschetste model voorspellen dat zomer en winter op het zuidelijk halfrond precies omgekeerd zullen zijn. Als die voorspellingen uitkomen, versterkt dat de status van het model. Als ze niet kloppen, dan is het model blijkbaar fout.

Als in de rest van de wereld nog eens 10.000 wetenschappers dezelfde metingen doen, dit zelfs 30 jaar volhouden en nog steeds dezelfde temperatuurtrends vinden, die ook verklaard kunnen worden met het opgestelde model, dan wordt de hypothese zó sterk, dat deze een theorie wordt genoemd. Een wetenschappelijke theorie is dus niet een (wild) idee waar nog maar beperkt onderzoek naar is gedaan (dat is de hypothese), maar een zeer goed onderbouwde en begrepen hypothese die keer op keer is bevestigd door waarnemingen.

Merk op dat het woord theorie in de wetenschap dus een heel andere definitie heeft dan in de volksmond. Wat door veel mensen een theorietje wordt genoemd, zou in de wetenschap, zoals we zagen, een hypothese heten, of zelfs dat niet. Voorbeelden van een theorie zijn de evolutietheorie en de zwaartekrachttheorie. Bij beide bestaan al honderden jaren aan waarnemingen, berekeningen en voorspellingen, uitgevoerd door duizenden wetenschappers van over de hele wereld, en tot nu toe is nog nooit één waarneming gedaan van iemand die een loden kogel optilt en loslaat, waarbij de kogel omhoog "valt". De bewering "het is 'slechts' een theorie" zou dus betekenen dat iemand gelooft dat er een redelijke kans is dat morgen alles omhoog zou kunnen vallen.²

We hebben gezien dat om de hypothese van de koude winters en warme zomers te testen er meer metingen moesten worden gedaan. Als deze metingen de hypothese ondersteunen, noemen we dat bewijsmateriaal (Engels: evidence) voor de hypothese. Dit is wat anders dan het sluitende bewijs (Engels: proof) dat de hypothese klopt. Sterker nog, een hypothese of theorie kan niet worden bewezen!

Neem bijvoorbeeld de theorie van de zwaartekracht. Die beweert dat alles op Aarde altijd naar beneden toe valt. Tot nu toe klopt dat perfect. Er lopen immers al circa twee miljoen jaar mensen op deze aardbol rond, en als de zwaartekracht ook maar één minuut daarvan omhoog gericht zou zijn, zou dat niet het geval zijn.³ De theorie van de zwaartekracht is dus behoorlijk stevig en het is zeer waarschijnlijk dat de zwaartekracht ook morgen en over een miljoen jaar nog naar beneden gericht is.

Tóch kan dat niet worden bewezen. Als iemand met een dobbelsteen driemaal achter elkaar zes gooit, is dat geen enkele garantie dat dat de vierde keer ook zal gebeuren; misschien was het slechts toeval. Hetzelfde geldt voor de zwaartekracht. Hoe onwaarschijnlijk ook, het is niet 100% onmogelijk dat deze morgen omhoog wijst. We kunnen dus niet bewijzen dat de theorie van de zwaartekracht klopt. En datzelfde geldt voor alle andere theorieën: er kan nooit worden bewezen dat ze altijd kloppen (Wikipedia 2021a).⁴

Als een hypothese nog onzeker is, is meer bewijsmateriaal en dus meer onderzoek nodig om deze te versterken dan wel verwerpen. Maar omdat een hypothese of theorie niet kan worden bewezen, wordt niet alleen gezocht naar bewijsmateriaal dat de hypothese bevestigt, maar juist naar waarnemingen die deze ontkrachten; dat kan immers wel. (Wikipedia 2021b) Als je op zoek gaat naar situaties waarvan je zou denken dat de hypothese niet werkt, heeft je onderzoek het meeste impact: ófwel je vindt het bewijs dat het hypothese niet klopt, ófwel je vindt dat zelfs in dit onverwachte geval de hypothese nog steeds stand houdt. In het geval van de zwaartekrachttheorie is het veel nuttiger op zoek te gaan naar extreme gevallen van zwaartekracht in het heelal, zoals botsende zwarte gaten, dan om morgen opnieuw vast te stellen dat de zwaartekracht op Aarde alles naar beneden trekt. In het eerste geval zijn er nog nieuwe, onverwachte ontdekkingen mogelijk,⁵ van het tweede zal niemand opkijken.

Vaak wordt gezegd dat iets "nog niet is bewezen", of "niet wetenschappelijk vastgesteld" met er achteraan of geïmpliceerd dat het dus (waarschijnlijk) niet waar is. We hebben net al gezien dat niet kan worden bewezen dat de zwaartekracht morgen nog werkt als vandaag, maar dat het desondanks zeer onwaarschijnlijk is dat er vannacht iets verandert. Ik kan me ook voorstellen dat er nog nooit wetenschappelijk onderzoek is gedaan op de invloed van links, rechts en weer links kijken voor het oversteken op de veiligheid van een voetganger.⁶ Het is dus niet wetenschappelijk bewezen dat uitkijken voor oversteken de veiligheid verhoogt, maar je gezonde verstand vertelt je al dat dit waarschijnlijk toch het geval is.

In dit geval zou de bewijslast dus juist andersom moeten liggen. Het ligt voor de hand dat uitkijken veiliger is, dus als iemand het tegenovergestelde beweert ligt de bewijslast bij hem, niet bij de aanhangers van de plausibele standaardhypothese. Dit wordt vaak samengevat als buitengewone beweringen vergen buitengewoon bewijsmateriaal.⁷

De wetenschap gaat uit van het principe dat een eenvoudiger en plausibeler verklaring (of model) beter is dan een complexere, meer vergezochte verklaring. Dit wordt ook wel het scheermes van Occam genoemd: scheer alle onnodige uitleg weg. Als u zich afvraagt hoe ik vanochtend van mijn huis naar mijn werk ben gekomen, en ik vertel dat ik de deur uitstapte, gegrepen werd door een windhoos, opgevangen door een UFO, ontvoerd door de aliens in die UFO, maar dat ik nog net op tijd uit het raampje kon springen toen we langs het ISS kwamen, waarna ik met een Sojoezraket naar Rusland ben gebracht, van daar naar Schiphol gevlogen en vervolgens met de trein en bus naar het werk ben gekomen, dan is dat een verklaring. Maar als ik ook de optie geef dat ik de deur uitstapte, naar het station fietste, de trein en een OV-fiets nam en zo op mijn werk kwam, kunt u, ook zonder dat u mij kent, beslissen welk van deze twee verklaringen de betere (want meer waarschijnlijke) is.

Als je digitale thermometer 20,0°C aangeeft, is het vrijwel onmogelijk dat het dat het exact 20,00000000…°C is. In werkelijkheid is er altijd een onzekerheid in een model of meting. In het laatste geval wordt dit ook wel meetfout genoemd. Als je thermometer goed geijkt is, en de temperatuur aangeeft met een nauwkeurigheid van 0,1°C, zal 20,0°C worden aangegeven wanneer de temperatuur ergens tussen 19,95°C en 20,05°C ligt. Wetenschappers geven dit vaak aan met 20,0 ± 0,05°C, waarbij ± wordt uitgesproken als "plus of min". Dit is hetzelfde als zeggen dat de temperatuur in het bereik 19,95-20,05°C ligt. Die 0,05°C is dus de meetfout of onzekerheid, en je kunt niet de waarde niet nauwkeuriger weten dan dat. Misschien is de werkelijke temperatuur 20,03°C of 19,98°C, maar dat weten we niet. Soms zal de temperatuur wat hoger zijn dan aangegeven, soms wat lager. Het betekent dus ook dat we in dit geval niet kunnen zeggen dat de temperatuur 20,00°C is - die kennis hebben we niet. Maar het woord fout betekent dus ook niet dat we hier iets verkeerd is gegaan.

Er zijn ook thermometers die de temperatuur tot op een halve graad nauwkeurig kunnen aangeven (19,0, 19,5, 20,0, maar niet ertussen). De meetfout is dan dus 0,25°C. De nauwkeurigheid in de notatie van de waarde 20,0°C wil dus niet per se iets zeggen over de nauwkeurigheid van de thermometer of meting.

Ik heb thuis een (vrij goedkope) draadloze binnen/buitenthermometerset die de temperatuur aangeeft met een nauwkeurigheid van 0,1°C. Maar als ik beide naast elkaar zet, geeft de binnenthermometer altijd ongeveer 0,7°C meer aan dan de buitenthermometer. Door vergelijken met een aantal andere thermometers lijkt het erop dat de binnenthermometer fout zit. Als die 18,7°C aangeeft is het dus ongeveer 18,0°C. We noemen zo'n afwijking die altijd optreedt een systematische fout. Dit is dus wat anders dat de meetfout, die soms een te hoge en soms een te lage waarde aangeeft. Zo'n systematische fout is niet fraai en best onhandig, maar sinds ik weet hoe groot die is, kan ik ervoor compenseren. En laten we eerlijk zijn, als de temperatuurmeting in mijn woonkamer er eens 0,1°C naast zit is dat niet een echte ramp.

Meetfouten zijn erg belangrijk in de wetenschap, maar niet alleen daar. Stel ik heb een kamer waar nog plek vrij is en waar ik graag een bureau zou willen plaatsen. Ik pak een duimstok en zie dat de ruimte 1,201m beslaat. In de winkel koop ik een bureau van 1,20m breed. Eenmaal thuis blijkt het bureau net niet te passen. Na nauwkeurig nameten blijkt dat het bureau 1,204m breed is. Zowel mijn meting, als de opgave van de bureaufabrikant kloppen — ze zijn alleen niet nauwkeurig genoeg. De breedte van het bureau was immers tot een centimeter nauwkeurig gegeven, maar niet tot een millimeter. De waarde was in feite 1,195-1,205m, en achteraf gezien had ik kunnen weten dat er een kans was dat het bureau niet zou passen.⁸

Stel dat het KNMI voorspelt dat het morgen 20°C wordt. Die boodschap is dan versimpeld voor algemeen publiek dat niet per se dagelijks met onzekerheden werkt. Wetenschappelijk gezien is deze informatie, zonder fout, echter volstrekt waardeloos.⁹ Immers, als de fout of onzekerheid in het model 0,5°C is, weet ik precies waar ik aan toe ben en kan ik mijn jas thuislaten. Maar als de fout 15°C zou zijn, zou dat betekenen dat de waarde tussen de 5°C en 35°C zal liggen en moet ik met zowel een korte broek als een winterjas de deur uit. Het opgeven van de onzekerheid is dus zeer belangrijk; zonder dat is de opgegeven waarde onbruikbaar.

Het feit dat wetenschappers zoveel over fouten spreken wil dus niet zeggen dat ze steeds dingen fout doen. Het is eerder omgekeerd: als ze de fout of onzekerheid van een model of meting niet noemen, doen ze iets verkeerd.

Tegenwoordig lijken steeds meer mensen onder kritisch zijn te verstaan dat ze altijd op alles wat hun niet bevalt kritiek moeten leveren, of iedereen in die categorie moeten tegenspreken. Ik bedoel echter de eerste betekenis in het WNT: iemand die geneigd is tot, of bekwaam is in, beoordelen; in het bijzonder tot het aanwijzen van fouten (WNT 2007).¹⁰ Kort om, probeer bij ieder brokje informatie te beoordelen of dit klopt of niet. Hierin kun je verschillende gradaties gebruiken, bijvoorbeeld: (1) klopt vrijwel zeker niet, (2) klopt waarschijnlijk niet, (3) klopt mogelijk niet, (4) geen idee of het klopt, (5) klopt mogelijk, (6) klopt waarschijnlijk, (7) klopt vrijwel zeker.