Bestaan quarks werkelijk?

Jan Hilgevoord (red.): Physics and our view of the world. Cambridge University Press 1994, 304 blz., $49.95 (geb.). ISBN 0-521-45372-9

Is een natuurkundige theorie die alles omvat in beginsel mogelijk? Is de magistrale menigvuldigheid aan verschijnselen te herleiden tot enkele wiskundige vergelijkingen? Sluit de natuurkunde het bestaan uit van een onwaarneembare doch alomtegenwoordige God? Is het natuurkundige wereldbeeld superieur aan andere wereldbeelden?

Het boek Physics and our view of the world, samengesteld en ingeleid door Jan Hilgevoord (emeritus hoogleraar Grondslagen van de Natuurkunde) gaat in op deze moeilijke en aangrijpende vragen. Een gijknamig symposium, georganiseerd door de Stichting Praemium Erasmianum, vond plaats in mei 1992. Onder de sprekers: theoretisch natuurkundigen Gerard 'tHooft en Paul Davies, astronoom John Barrow en de wetenschapsfilosofen Paul Feyerabend, Bas van Fraassen, Mary Hesse en Ernan McMullin. Hun lezingen - en tevens de openbare lezingen van Feyerabend en Van Fraassen in de Hooglandse Kerk te Leiden - zijn in bewerkte vorm opgenomen, alsmede een persoonlijke keus van Hilgevoord uit de discussies.

Een stortvloed van linksdraaiende neutrino's die dagelijks door ons lichaam heenraast; een wolk van virtuele fotonen die de 'naakte' massa van het elektron aan de ogen van de experimentator onttrekt; gluonvelden die trio's quarks in baryonen gevangen houden - de moderne natuurkunde onderstelt het bestaan van een exuberantie aan onwaarneembare fysische entiteiten wier samenspel verantwoordelijk zou zijn voor alles wat zich afspeelt op het toneel van de waarneembare verschijnselen. Tegelijk staan natuurkundigen met een mond vol tanden - of spreken elkaar tegen - wanneer gevraagd hoe men zich deze entiteiten dient voor te stellen. Men kan zich derhalve afvragen of deze letterlijk onvoorstelbare elementen uit de moderne natuurkunde corresponderen met iets in de werkelijkheid. Bestaan quarks echt?

Wetenschapsfilosofische realisten beantwoorden deze vraag bevestigend. Instrumentalisten ontkennend: zij beschouwen quarks als overlevende verzinsels, begripsmatige instrumenten waarmee fysici de talrijke experimentele resultaten blijken te kunnen berekenen. Davies, Barrow en 'tHooft blijken realisten zonder daar moeilijk over te doen, of beter gezegd: zonder daar moeilijkheden in te zien. Zo stelt 'tHooft: 'Tegenwoordig beschouwt men quarks als net zo reëel als elektronen.' Bedachtzamer zijn McMullin en Hesse, zoals het wijsgeren betaamt, niettemin blijken ze realisten. Verrassend is de opvatting van de gewoonlijk tegendraadse Feyerabend (vorig jaar overleden), die zegt de existentie-claims van de natuurkundigen zonder mankeren te aanvaarden. En zelfs Hilgevoord, die doorgaans met majesteitelijke voorzichtigheid standpunten inneemt, kan zich in zijn Inleiding niet bedwingen en verzekert ons dat het realist zijn een psychologische voorwaarde sine qua non is voor het bedrijven van wetenschappelijk onderzoek.

Van Fraassen produceert de enige dissonant in dit veelstemmige koor van realisten. Niet dat hij de instrumentalistische these aanhangt dat de quarks uit de quantumchromodynamica (de quarktheorie) even denkbeeldig zijn als de drie quarks die Master Mark geserveerd krijgt in Finnegans Wake. De empirist Van Fraassen predikt agnosticisme en houdt daarmee nauwkeurig het midden tussen realisme en instrumentalisme. Aangezien volbloed instrumentalisten met een lantaarn te zoeken zijn, is de inzet van het feitelijk gevoerde debat de vraag of het bestaan van quarks, in het licht van de succesrijke quarktheorie, een onloochenbaar feit is.

Toch, durft niet alleen een leugenaar of leeghoofd het empirische succes van de quarktheorie te loochenen? Zeker, maar wie denkt dat met deze bevestiging de zaak is afgedaan, maakt een redeneerfout. Want de experimentele toereikendheid van de quarktheorie impliceert niet haar ontologische toereikendheid, wat wil zeggen: de overeenstemming tussen de statistische regelmatigheden in de overstelpende hoeveelheid meetgegevens en de theoretisch berekende waarschijnlijkheden impliceert niet het bestaan van theoretische gepostuleerde quarks. Wat de experimentele toereikendheid van de quarktheorie hoogstens vooronderstelt, is het bestaan van de laboratorium-apparatuur die de meetgegevens voortbrengt. Argumenten voor het bestaan van quarks kunnen niet zuiver empirisch zijn.

Het is aan de realist zulke argumenten te verzinnen. Ernan McMullin verdedigt een dergelijk argument in zijn opstel 'Enlarging the Known World'. Hij onderscheidt drie soorten van afleidingen die stuk voor stuk onontbeerlijk zijn voor de wetenschap: deductie, inductie en retroductie. Een deductie is een strikt logische afleiding, waarmee men in zekere zin niets uit premissen concludeert wat zij niet reeds bevatten. Alle wiskundige bewijzen zijn deductief. Inductie (een regelmaat afleiden uit een eindig aantal gegevens) en retroductie (de meest voor de hand liggende verklaring opstellen voor een regelmaat of een verzameling gegevens) zijn versterkende afleidingen, in de zin dat zij leiden tot een conclusie die iets toevoegt aan wat de premissen bevatten.

Een voorbeeld van retroductie. Gegeven een pasgeboren baby die flink melk drinkt en de gehele dag alleen geplast heeft. Waarnemingen: de baby ligt thans te huilen en zijn luier verspreidt een geur die parfums nooit hebben. Conclusie: een poepluier, dat verklaart de genoemde waarnemingen. Deze concsie volgt niet logisch uit de waarnemingen. De baby kan immers ook net een windje laten en buikkrampjes hebben, in welk geval men venkelthee moet zetten en van de luier afblijven. Nochtans leert de ervaring dat de retroductief getrokken conclusie behoorlijk betrouwbaar is. McMullin wijst erop dat een bewering als 'er bestaan sterrenstelsels' evenzeer een retroductieve conclusie is, getrokken uit astronomische waarnemingen. Zodat de retroductieve conclusie dat quarks bestaan, getrokken uit gegevens vergaard in experimenten met deeltjesversnellers, zich niet minder in ons vertrouwen zou mogen verheugen.

Van Fraassens opstellen 'The World of Empiricism' en 'Interpretation of science; science as interpretation' zijn onbetwiste hoogtepunten van Physics and our view of the world. In eerstgenoemd inzichtrijke opstel schetst hij hoe een empirist de wereld ervaart en illustreert dit aan de hand van de ontwikkeling van Antoine Roquentin uit Sartre's roman De Walging. Voorts betoogt Van Fraassen dat de essentie van wetenschap niet gelegen is in haar ontrafeling van de ware aard van de werkelijkheid, zoals realisten denken, maar dat zij ons vertrouwd maakt met het herzien en veranderen van onze opvattingen in het licht van nieuwe informatie. Niet de inhoud maar de methode kenmerkt de wetenschap.

Het zou, om Hilgevoords woorden uit de inleiding aan te halen, belachelijk zijn om de inhoud van Van Fraassens tweede opstel proberesamen te vatten. Wetenschap en kunst zijn vaker vergeleken. Doch zelden komt het verder dan de versleten waarheid dat het bedenken van een spectaculaire theorie niet minder een daad van de scheppende verbeelding is dan het construeren van een beklemmende roman. In het bijzonder wagen weinigen zich aan een vergelijking van zulke verschillende dingen als een fysische theorie en een schilderij: de produkten van de natuurkunde en de schilderkunst. Van Fraassen waagt zich er weaan en stuit, aan de hand van het onderscheid tussen representatie en interpretatie, tussen voorstelling van en voorstelling als, een bespreking van Manet's 'Déjeuner sur l'herbe' en zijn empiristische visie op de wetenschap, op verbijsterende overeenkomsten.