Posts Tagged ‘Onderzoek’

Koorddansen op de kennisgrens

augustus 28, 2009

In zijn meest naakte essentie is wetenschap het bestendig laven van de dorst naar kennis. Onderzoekers stellen systematisch àlles in vraag, en dulden daarbij geen dogma’s. Wetenschappelijk onderzoek vergt derhalve een voortdurend vorsen naar waarheid, en een soms delicaat koorddansen op de kennisgrens. Onderstaand artikel geeft een summier overzicht van de stand van zaken in de diverse takken van de wetenschap, en de grootste uitdagingen voor de toekomst.

Man on Wire

 

Fysica als moeder van alle wetenschap

Fysica of natuurkunde is de moeder van alle wetenschappen, en hanteert de wiskunde als taal om haar theorieën vastere vorm te geven. De klassieke mechanica beschrijft bv. de baan van de planeten in ons zonnestelsel, voorspelt het traject van een kanonskogel, of kan de snelheid van een projectiel berekenen. Het elektromagnetisme bestudeert dan weer de wisselwerking tussen elektrische en magnetische velden, en laat toe om elektrische netten te begroten of magnetische fenomenen te verklaren. Een fascinerende tak van de sterrenkunde is de kosmologie, waar men het ontstaan, de structuur en de evolutie van het heelal tracht te begrijpen. Subatomaire fysica, zoals de kwantummechanica, bestudeert het gedrag van elementaire deeltjes; terwijl de relativiteitstheorie de effecten van zwaartekracht bij heel hoge snelheden voorspelt.

Met voorsprong de grootste uitdaging in de moderne fysica is het kneden van één fysische theorie, die in staat is om alle voornoemde fenomenen te beschrijven en te verklaren. Zo’n universele theorie moet dus het grillige, en nauwelijks voorspelbare gedrag van uiterst kleine deeltjes kunnen verzoenen met de structuur van gigantische sterrenstelsels, terwijl zij tevens de wetten van de relativiteitstheorie respecteert, en het bestaan van zowel elektrische als magnetische velden toelaat.

Hoewel die allesomvattende theorie (nog) niet voor morgen lijkt, zijn de recente ontwikkelingen alleszins fascinerend. Zo suggereert de (super)snaartheorie bijvoorbeeld het bestaan van verschillende werelden of realiteiten, die echter elk aan een verschillende frequentie trillen. De M-theorie tracht dan weer de verschillende supersnaartheorieën samen te smeden tot een hyperuniversum in elf dimensies. De bouw van de deeltjesversneller in Genève moet meer inzicht verschaffen in deze nog grotendeels onontdekte wereld. Recent werd de Nobelprijs voor de natuurkunde trouwens nog toegekend aan drie wetenschappers die een doorbrak hadden bereikt in het onderzoek naar de symmetrie-eigenschappen van elementaire deeltjes.

Scheikunde als cataloog van alle elementen

Reeds eeuwen geleden trachtten alchemisten lood om te vormen in goud, middels ingewikkelde (en bovenal ontzettend zinloze) formules. Chemie of scheikunde heeft sinds mensenheugenis veel interesse gewekt, vermits wij nu eenmaal willen weten hoe alle stoffen in elkaar steken. Scheikunde, zoals de naam laat vermoeden, bestudeert het scheiden van stoffen tot hun elementaire bouwstenen, met de heimelijke ambitie om ze naderhand opnieuw samen te smeden tot edeler materialen. Dankzij de scheikunde bestaat aspirine tegen de hoofdpijn, wordt ruwe olie geraffineerd tot benzine of kunststof, kan textiel geverfd worden, en kunnen wij genieten van een frisse pint.

Hoewel de scheikunde zich aanvankelijk richt tot het scheiden van stoffen, ligt haar grootste toekomstpotentieel net in het samenstellen van verschillende atomaire deeltjes. De huidige (en vaak gecontesteerde) kerncentrales werken immers op het principe van kernfissie, waarbij energie vrijkomt bij het splitsen van atoomkernen. Een grote doorbraak zou echter kernfusie zijn, waarbij reusachtig veel energie vrijkomt door kernen opnieuw samen te smelten. Het onderzoek naar deze techniek, die eensklaps alle energieproblemen zou kunnen oplossen, staat echter nog in de kinderschoenen. Zo moet vandaag nog een atoombom tot ontploffing worden gebracht om de juiste voorwaarden te creëren waaronder kernfusie kan plaatsvinden…

Geneeskunde is dienstbare wetenschap

De geneeskunde is wellicht de meest nobele van alle toegepaste wetenschappen. Haar ambitie ligt immers niet laner dan het remediëren van kwalen, en het helen van zieke mensen. De voorbije decennia is hierbij veel aandacht gegaan naar het ontrafelen van de geheimen die besloten liggen in ons desoxyribonucleïnezuur, beter bekend als DNA. Dit DNA, dat teruggevonden wordt onder de vorm van chromosomen, lijkt op een wenteltrap, en bevat nagenoeg alle erfelijke informatie die in onze genen zit. Een beter begrip van DNA kan leiden tot een scherper inzicht in de werking van erfelijke ziektes, en op termijn kunnen genetische manipulaties zelfs fungeren als een feilloos vaccin.

Ook stamcelonderzoek oogstte de voorbije jaren wel vaker controverse. Stamcellen, die men in groten getale bij embryo’s aantreft, zijn de meest maagdelijke bouwstenen van ons organisme. Een stamcel is in staat om zich te veranderen in ieder mogelijk type cel, m.a.w. zij kan nog uitgroeien tot ee nstukje oor, een deel van de lever, of zelfs een neushaar. Stamcellen lijken dus het ultieme recept om verwoestende ziektes als kanker te kunnen behandelen.

De grote uitdagingen van de geneeskunde zijn zonneklaar: zoeken naar therapieën voor levensbedreigende ziektebeelden als kanker, aids of alzheimer. Dit onderzoek is dus andermaal een delicaat koorddansen op de kennisgrens, dat niet zelden uitmondt in een ethisch debat.

© 2009 – Labo Vekalie

Advertenties

Dynamisch streven naar symbiose

januari 26, 2009

Modern wetenschappelijk onderzoek vergt een dynamisch streven naar symbiose tussen drie spanningsvelden. Theorie, (computer)simulatie en experimentele verificatie wisselen elkaar af in een continu variërend vorsen naar waarheid. Onderstaand essay kan gelezen worden als een persoonlijke impressie, die de charmes van wetenschappelijk onderzoek belicht, maar tevens haar valkuilen bloot legt.

Wetenschappelijk onderzoek als dynamisch streven naar symbiose tussen drie spanningsvelden

Theoretisch raamwerk

Eenmaal het vakgebied afgelijnd, vangt het onderzoek aan met een uitgebreide literatuurstudie. Men tracht zich via lectuur van artikels, vaktijdschriften, technische publicaties, … de geplogenheden van het kennisdomein in kwestie eigen te maken. Vermits het leeuwendeel van deze vakliteratuur fragmentarisch(1) van aard is, zal men zich bovendien beroepen op reviews en boeken.

De onderzoeker tast aanvankelijk in het duister, maar zal gestadig meer grip krijgen op de materie: als iemand die zich een weg baant doorheen een donker huis, dat langzamerhand het zijne wordt. Het kan, in het licht van deze metafoor, dan ook bijzonder heilzaam zijn bibliotheken te raadplegen, op zoek naar plattegronden; of communicatie te onderhouden met collega’s die de meubels reeds weten staan…

Het langzaam verworven inzicht en doorzicht zal de onderzoeker sterken in de beheersing van zijn studieobject. Na de literatuurstudie begint immers het avondtuur van zelfstandig wetenschappelijk onderzoek: als een zweefvlieger baant men zich een weg doorheen het kennisdomein, gedragen door de opgedane kennis. Vanuit dit vogelperspectief(2) kan men alle facetten in ogenschouw nemen, een ruggengraat onderkennen in het geformuleerde probleem en – niet gespeend van enige creativiteit(3) – praktische en pragmatische oplossingen uitdenken.

Computersimulaties

Vanuit het theoretische raamwerk kan dan een model gebouwd worden, als (benaderende) beschrijving van de werkelijkheid. Gebaseerd op een amalgaam van kennis en hypothesen zal men een systeem nabootsen, met de bedoeling inzicht te verwerven in het gedrag ervan. Deze modellering vormt een discipline op zich: men moet het studieobject ondubbelzinnig omschrijven, de nodige informatie inwinnen, een mathematisch formalisme afleiden, een conceptueel model bouwen, verifiëren, valideren, …

Een accuraat model, gebouwd volgens de regels van de kunst, kan een verrijkende bijdrage leverne aan het wetenschappelijk onderzoek: het wordt immers mogelijk om een veelheid aan situaties en fenomenen numeriek te simuleren, wars van enige fysische restrictie.

Introductie van de computer als krachtig rekeninstrument lijkt logisch: binnen een korte tijdsspanne kunnen immers bijzonder veel (data)manipulaties uitgevoerd worden. Niettemin dient men ook hier waakzaam te blijven: een algortime is immers slechts even performant als haar implementatie. Efficiënte aanwending van de rekentijd kan enkel gewaarborgd worden door een oordeelkundige discretisering van het (continu) systeemmodel, goed gekozen schatting annex resolutie, een elegante programmacode, enz…

Een doeltreffend numeriek (computer)simulatiemodel zal toelaten een schier onbegrensd spectrum aan (gedachten)experimenten uit te voeren, en massa’s informatie in te winnen. Een nauwgezette analyse van deze data stelt de onderzoeker in staat zijn numeriek model te optimaliseren, en maakt het tevens mogelijk inzichten(4) te verwerven in het gedrag van het gesimuleerde systeem.

Experimentele verificatie

Het theoretisch raamwerk en de corresponderende numerieke simulaties blijven echter zinledig zonder experimentele verificatie. Een fysische theorie, hoe briljant ook, blijft waardeloos zolang zij niet door empirische waarnemingen kan worden gestaafd. Zo zal bv. in het vakgebied van de hoge-energiefysica, waar men het gedrag van elementaire deeltjes bestudeert, de afwezigheid van experimentele validatie de slagkracht van recente theoretische ontwikkelingen(5) dikwijls hypothekeren.

Experimenten kunnen niet enkel theoretische hypothesen valideren; vaak zullen waarnemingen die (nog) niet verklaard worden door bestaande theorieën een belangrijke impuls bieden voor innoverend wetenschappelijk onderzoek.

Fysisch experimenteren is een vakgebied apart. Ment dient zich te beraden over wat men wil meten, en hoe deze meting op reproduceerbare wijze uitgevoerd kan worden. Meten is weten, en seeing is believing, doch men dient zich ervan te vergewissen wat men wil zien, en wat daadwerkelijk zichtbaar is. Een kritische attitude zal de wetenschapper behoeden voor wishful thinking.

Een geslaagd experiment is reproduceerbaar en levert eenduidige meetgegevens. Experimenteren behelst onder meer het ontwerpen van een proefopstelling, de kalibratie van de meetinstrumenten, het ijken van de meetgegevens, … De onderzoeker moet onderlegd zijn in uiteenlopende kennisdomeinen zoals regeltechniek, foutenanalyse, systeeminstrumentatie en vele andere.

Empirische resultaten kunnen dan getoetst worden aan theoretische en numerieke modellen. Een en ander kan leiden tot aanpassingen in het laboratorium, updaten van simulatiemodellen, of zelfs nieuwe ontwikkelingen op theoretisch vlak. Modern wetenschappelijk onderzoek profileert zich derhalve als een dynamisch streven naar symbiose tussen deze drie spanningsvelden.

© 2009 – Labo Vekalie


(1) Vele jonge onderzoekers beschrijven – niet zelden gedreven door publicatiedrang of ongezonde naijver – een ontzettend nauw afgemeten kennisdomein, terwijl men voor een literatuurstudie meer aangezen is op reviews: overzichtelijke en globale artikels, die helaas verrassend schaars blijken te zijn.

(2) De pragmaticus hoedt zich voor (te) grote betrokkenheid. Een gedreven onderzoeksgeest, gekoppeld aan een gezonde zin voor kritiek, dient ruimte te laten voor distantiëring.

(3) Wie zei ook weer “Imagination is more important than knowledge” ?

(4) Waarbij de opgedane ervaringen steeds afgepunt worden t.o.v. de scope van het simulatiemodel.

(5) Zoals bijvoorbeeld het geval is voor (super)snaartheorie, quantumgraviteit en de zgn. Grand Unified Theories