Geologica filosofie van de aardwetenschappen · 2x per week college Floris van den Berg 1 college...
Transcript of Geologica filosofie van de aardwetenschappen · 2x per week college Floris van den Berg 1 college...
2/9/2014
1
Research group River and delta morphodynamics
Geologica filosofie van de aardwetenschappen
Dr. Maarten Kleinhans [email protected]
www.geo.uu.nl/fg/mkleinhans
Deel 1
3 weken van Microscoop tot olifant
PERIODE 2
2x per week college Floris van den Berg
■1 college uit Geologica door Maarten Kleinhans
boek(je) bestuderen
schrijven column (25% cijfer)
doen eerste toets (25% cijfer)
Deel 2
werkcolleges Geologica
3 keer
gericht op aardwetenschap in praktijk
■ook hoe je je BSc thesis gaat doen
artikelen bestuderen
schrijven flink essay (50% cijfer)
■over aardwetenschappelijk artikel
■ook feedback op elkaar geven + verbeteren
2/9/2014
2
Deze cursus: de doelen
wetenschappelijke methoden en
fundamentele problemen van
aardwetenschappen
in vergelijking met andere wetenschappen
vanuit perspectief wetenschapsfilosofie
op academisch niveau leren reflecteren
op wetenschappelijke publicaties
en je eigen BSc en MSc onderzoek
= academische vorming
Deze cursus: wat gaan we doen?
literatuur bestuderen
van tevoren, zie website en emails
websites, hoofdstukken, artikelen, ppt: print!
intro in college, dan participatie in discussie
zelf denken en schrijven
elk college: essay 1-2 pagina’s
eindwerk = betoog:
analyse wetenschappelijk artikel van een staflid,
ca. 3-4 pagina’s eigen denkwerk (1 aspect)
De docent... wil graag feedback op:
opzet cursus
hoeveelheid leesmateriaal en schrijfwerk
kwaliteit colleges, etc.
wil geen:
onvoorbereide studenten
broddelschrijfwerk
doet zijn best maar is ook menselijk
deze cursus is helaas wereldprimeur
2/9/2014
3
De student...
(wil graag een boeiende en goede cursus)
wil graag opbouwende kritiek / repliek
ontvangen van andere studenten tijdens de
discussies
(i.e. wees constructief in discussie en geef
ruimte)
((i.e. niet afzeiken))
GROTE vragen
1. Wat zijn fundamentele beperkingen van
onze onderzoeksmethoden?
waarnemingen
experimenten
modellen
2. Hoe verklaren we in de
aardwetenschappen?
Hoe presenteren we onze verklaringen
(en waarom zo)?
Opbouw
wetenschap in actie
logica
onderdeterminatie
modellen, experimenten, data
verklaring
meedenken, meedoen
essay:
ontleed een aardwetenschappelijk artikel
2/9/2014
4
Gezond verstand (Wetenschap)
onderzoeken:
controle-experiment
(positief-) kritisch
toevalligheden leiden tot nieuwe ontdekkingen
verklaren en voorspellen:
funderen op mechanisme / natuurwet
breder toepasbaar
voorkennis en groei van kennis
rapportage
herhaalbaarheid
Empirische cyclus
Huh??
Verklaring verzinnen
Test ontwerpen
Testen, gegevens verzamelen
Verklaring evalueren
Rapporteren
Nieuwe vragen
kortom: vragen stellen en kritisch testen
Research group River and delta morphodynamics
Wat wil je weten?
Hoe denk je
dat het zit?
Hoe ga je het
onderzoeken?
Uitvoeren
Is het wat je
had verwacht?
Wat komt er uit?
2/9/2014
5
Kinderen leren (net als wetenschappers)
van spelen/fouten/experimenten, en van anderen
www.sciencemag.org SCIENCE VOL 337 28 SEPTEMBER 2012
Eurotank stroomgoot
2/9/2014
6
Effect of mud in rivers
Vorm vs. inhoud van artikelen Opzet typisch artikel en rapport:
Intro:
■probleemstelling, doelstelling, review,
hypothesen afgeleid uit theorie
methode
resultaten
discussie
conclusies
■hypothesen aangenomen!
Oh ja?
Peer review van artikelen
Hoe publiceren?
Indienen → editor
Eerste controle wetenschappelijke kwaliteit
Format, kwaliteit figuren en tekst
Van toepassing voor dit journal?
Reviewers advies
Novelty
Voldoende ingebed in literatuur
Wetenschappelijke onderbouwing
Editor oordeel → auteur
repeat
2/9/2014
7
Discussie
Noem verschillen tussen
hoe onderzoek gedaan wordt en
hoe onderzoek gerapporteerd wordt
Waarom zijn die verschillen er?
Hoe praten docenten hierover?
Kuhn in actie in peer review?
Rol concensus?
Herhaalbaarheid?
Typen claims in natuurwetenschap 1. A priori claim:
• noodzakelijke waarheid
■ voorbeeld: 2+2=4
■ voorbeeld: alle vrijgezellen zijn ongetrouwd
2. Normatieve claim:
• waarden (niet feiten),
hoe het zou moeten zijn (niet hoe het is)
■ voorbeeld: het is fout om plagiaat te plegen
3. Empirische claim:
• falsifieerbaar door waarneming of experiment
■ voorbeeld: alle decanen zijn blank
Discussie
Verzin voorbeeld van elk
2/9/2014
8
3. Drogredeneringen Vele typen (met labels)...
gebruik je verstand (en een lijst)
Ad Hominem: op de man i.p.v. op de bal
Bush staat abortus niet toe maar Bush is een
domoor
Cirkelredenering:
conclusie afhankelijk van bewijs
De bijbel is het woord van God,
want dat zegt Hij zelf (in de bijbel)
Controverse: Gaia-theorie
Wat zegt de Gaia-theorie?
drogredeneringen in Lovelock (2003)?
Teleologie
Teleologisch argument: doelgericht (toekomst)
Voorbeelden:
Dijken langs de rivieren zijn aangelegd om
overstromingen te voorkomen
Gaia:
organismen stabiliseren hun omgeving
organismen veranderen hun omgeving in hun
toekomstig voordeel: zelfregulatie
2/9/2014
9
Biesbosch 1639 AD
Kleinhans et al. 2010 Geomorphology
Overstroming! Natuurramp?
Logica: Deductie, inductie, abductie
Deductie: van algemeen naar bijzonder
geval
Inductie: van waarnemingen naar
generalisatie
Abductie: van waarneming naar oorzaak
2/9/2014
10
abduc tion
abduction
inference to the best explanation
reconstruction of the past
hypothesis formulation
induction,
statistical
generalisation,
extrapolation
deduction,
nomological
explanation,
(model -)
prediction
causes,
minor premises,
begin situation,
initial and
boundary conditions,
external forcings,
action
effects,
consequences,
end situation,
outcome,
reaction
laws of nature,
major premises,
generalisations,
statistical populations
Voorbeelden van deductie
Alle mensen zijn sterfelijk (major premisse)
de decaan is een mens (minor premisse)
de decaan is sterfelijk (consequentie)
wrijving = 42, diepte = 5 m, verhang = 1x10-4
stroomsnelheid = 0.94 m/s
Alle locomotieven fluiten
de decaan fluit
de decaan is een locomotief
verhangewaterdieptwrijvingheidstroomsnel
Voorbeelden van inductie
Zwanen geobserveerd
Tot nu toe alleen maar witte zwanen gezien
Alle zwanen zijn wit
30x dobbelsteen gegooid
Resultaat: zes maal 1 gegooid
Kans op 1 is 1/5
2/9/2014
11
Voorbeelden van abductie
Verrassend forensisch bewijs
(of afwezigheid ervan: de hond blafte niet)
Maar als Moriarty de moordenaar is
dan kloppen alle bewijzen met elkaar
Dus Moriarty is de moordenaar
Pure deduction, my dear Watson...?
Dit gebergte heeft afgeronde kammen
en een dik pakket sediment aan de voet
Maar als er heel lang erosie heeft plaatsgevonden
verklaart dat afronding en sediment
Dus dit gebergte is oud
Discussie
Voorbeelden?
Hoe belangrijk in onze praktijk?
Beperkingen?
Sterke onderdeterminatie
Theorie niet testbaar met empirisch bewijs
in isolatie van andere (hulp-)theorien
dus er worden altijd meerdere theorien getest!
welke is dan de foute?
voorbeeld: astronomische waarneming...
theorie fout of optica fout?
Daarom werkt verificatie of falsificatie niet
zomaar
(andere onderdeterminatie heet ‘zwak’)
2/9/2014
12
Zwakke onderdeterminatie!
insufficient evidence to choose one theory
over the other
timescale of Earth ↔ human observer
direct observation impossible
process changed by observation technique
evidence obliterated by erosion
random / chaotic processes – sensitivity to
initial conditions
non-uniqueness: same results from different
hypotheses
Het gaat veel beter met een centimeter
2/9/2014
13
Verificatie van modellen
verificatie en validatie van numerieke modellen
van natuurlijke systemen is onmogelijk
want natuurlijke systemen zijn open,
(onderdeterminatie)
en modelresultaten zijn niet-uniek
(op meerdere manieren met meerdere modellen
te bereiken)
waarde van modellen vooral heuristisch
Termen in Oreskes: verification:
■demonstrate truth
validation:
■ legitimate, consistent, flawless (code)
■does not entail representation of nature
closed:
■all parameters completely described
(as in logical/mathematical structures)
nonunique:
■different models can have same result
heuristic:
■ representations, guide further study, scenarios
Iets meer over modellen “modellen = fysica, dus beter dan geologie” ??
Aardwetenschap heeft 2 doelen (Hutton):
historie van de aarde
causaliteit van de ontwikkeling van de aarde
Modeltoepassing:
deductief? voorspellingen doen uit wetten +
randvoorwaarden + initiele condities?
abductief? afleiden initiele condities +
randvoorwaarden uit wetten + eindcondities?
2/9/2014
14
Verbetering van weersvoorspellingen
Gerbrand Komen, KNMI
Discussie Oreskes also refers to theories, not just models
also for economics (and other sciences!)
slayed a straw man
reply: US-DOE, International Atomic Energy
Agency
Theorie, data en experimenten zijn allemaal
problematisch! Hoe werkt interactie??
“Models can ... strengthen what may be already
partly established through other means”
(p. 644 links bovenaan)
Modellen, experimenten, waarneming
modellen
+: gebaseerd op fysica (goed geverifieerde wetten)
–: numerieke onderdelen, empirische onderdelen
(zowel in relaties als in randvoorwaarden)
experimenten
+: ‘materieel gerealiseerd’, dus werkelijkheid
–: schaalproblemen, keuze randvoorwaarden
waarneming
+: ‘direct’ in de werkelijkheid
–: theoriegeladen, altijd te weinig
2/9/2014
15
Transverse bed slope effect
Schuurman, Marra & Kleinhans 2013, JGR
Scaled experiments
prototype scale
exp
eri
me
nt sca
le
Kleinhans et al. (nearly accepted), ESR
Twisting the lion’s tail
Turning the tide
2/9/2014
16
Twisting the lion’s tail
Discussie
Uit eigen ervaring?
wat zijn onderdeterminatieproblemen
voor toetsing hypothesen / ontwikkeling
theorie
van:
modellering
experiment
waarneming (veldwerk)
Verklaringen in de aardwetenschappen
uniformitarianisme, catastrofisme
belachelijke hypothesen
het scheermes van Ockham
lies, big lies and statistics
reductionisme
narratieve / historische- en
procesverklaringen
2/9/2014
17
Uniformitarianisme vs. catastrofisme
Uniform.:
processen van vroeger (in de geologische
geschiedenis) zijn hetzelfde als nu
“the present is the key to the past”
Catastrofisme:
vroeger waren er andere processen
■ondermeer grote catastrofes
implicatie: God kan Aarde geschapen hebben!
Discussie
Verzin voorbeelden van
processen die vroeger en nu voorkomen
en die alleen vroeger voorkwamen
Ben jij uniform...ist of catastrofist?
Belachelijke hypothesen
Met abductie afgeleid
Het badwater!
evolutie, platentectoniek, ijstijden
Chamberlin: multiple working hypotheses
om persoonlijke voorkeur te voorkomen
blijf oude hypothesen herinneren (en toetsen)
2/9/2014
18
Discussie
Waarom waren die hypothesen
belachelijk?
(of: waarom wilde men die te lijf gaan met
Ockham’s scheermes?)
Hoe beslissen we tussen meerdere
werkhypothesen?
Het scheermes van Ockham
niet: “Natuur zit simpel in elkaar”
Euclidische meetkunde, gulden snede, etc.
wel: “Theoriën moeten zo simpel mogelijk
zijn”
geen geest in de fles
geen wil tot bewegen in voorwerpen
Maar... onderdeterminatie;
het kind en het badwater?
Lies, big lies and statistics
Hypothesen worden verworpen
met statistische tests gebaseerd op
gegevens
(aangenomen een kansniveau)
2/9/2014
19
Discussie
Meetgegevens van stroming rond een
riviersplitsing geven aan dat er meer water
op de splitsing afstroomt dan eruit (via de
twee benedenstroomse takken)
Ergo, de wet van behoud van massa klopt
niet !?
Wat is de waarde van statistiek?
Reductionisme?
Reductionisme: verklaren met fysica 1. Alle fenomenen bestaan uit fysische
entiteiten
• geen geesten, zielen, essenties (tenzij
verklaarbaar)
2. Dus alle fenomenen kunnen worden
verklaard met wetten uit de fysica
• d.w.z., gereduceerd tot wetten uit de fysica
• plus initiele condities
3. Dus alle (echte) wetenschappen zullen
uiteindelijk tot de fysica worden
gereduceerd.
Ockham’s scheermes! zo efficient mogelijk!
2/9/2014
20
Het ideaal uit de 20-er jaren
life sciences earth sciences
sociology
psychology
biology
cosmology
geology
geomorphology
fundamental
sciences
chemistry
physics
mathematics
logic
reduction Klee 1997
Hoe te reduceren?
Klassieke idee (Nagel 1961):
formuleer brugprincipes tussen fysische en
<aardwetenschappelijke> termen
deduceer uitzonderingsloze theorien
uit wetten van de fysica
Dit idee leeft bij veel wetenschappers
Problemen van reductionisme?
ontologie (‘dat wat is’)
versus epistemologie
(‘dat wat we (kunnen) weten’)
bijvoorbeeld bewustzijn, groepsgedrag
brugprincipes?
initiele condities (nodig in de deductie)?
2/9/2014
21
Meer discussie
Beschouw technische vooruitgang...
wordt reductionisme uiteindelijk haalbaar?
Wettigheid van wetten (1)
Voorbeeld:
wetten deeltjesdynamica & vloeistofmechanica
beide uit Newtoniaanse wetten afgeleid
maar niet tegelijk geldig!
water = deeltjes & water = vloeistof
Voorbeeld:
wet van behoud van impuls op een schuivend
blok
afgeleid uit Newtoniaanse wetten
maar klopt niet! wrijving!? turbulentie!?
Wettigheid van wetten (2) Voorbeeld:
beweging bij 1/10 lichtsnelheid in Newton en
Einstein
Newton tot Einstein reduceerbaar?
Voorbeeld:
wetten deeltjesdynamica & quantummechanica
golfdeeltjes?? onzekerheidsprincipe??
quantummechanica tot Newton reduceerbaar?
niet wettig als niet universeel geldig?
of, hoe wettig zijn (empirische) generalisaties?
2/9/2014
22
Wetten in de aardwetenschap?
“lagen die jonger zijn liggen altijd bovenop”
klapveen
Wetten toepassen
Aardwetenschappelijke modellen:
niet-geisoleerde fenomenen,
gecompliceerde systemen, welke wetten?
dus geen directe toepassing van 1 wet,
maar
meerdere wetten,
niet oplosbaar (Navier-Stokes),
dus vereenvoudigd, en numeriek
onderdeterminatieproblematiek
hoe goed is reductie??
Historische en procesverklaringen
Reconstructie van verleden (‘actual
sequence’):
huidige situatie
+ wetten
vroegere situatie
■detail precieze volgorde
Causale verklaringen (‘robust process’):
vroegere situatie
+ wetten (vaak modellen)
huidige situatie
■algemeen, generaliserend
2/9/2014
23
Verklaar een ramp… reductionisme?
Actual sequence explanation:
when and where exactly
■Hurricane Katrina, much rain, weak levees breached
initial conditions!
■ (accidents: e.g. meteorite impacts, tsunami)
Robust process explanation:
why? disaster waiting to happen! (Fisk 1954?)
■ levees along river no sediment spread over delta
to counteract subsidence (due to compaction)
laws!
■physics-based model (e.g. Parker et al. 2006)
Biesbosch 1639 AD
Kleinhans et al. 2010 Geomorphology
Overstroming! Natuurramp!
2/9/2014
24
Voorbeeld narratieve verklaring
verklaar verleggingen rivier de Rijn in de delta:
actual-sequence verklaring:
data → locale (contingente) gebeurtenisssen
■avulsielocaties, duur, variaties
■ reconstructie van gebeurtenissen in Holoceen in delta
robust-process verklaring
data → abductie leidt tot ‘common cause’
■zeespiegelstijging, tectoniek, aggradatie → avulsies
modellering → causale verklaring (reduction);
laat zien dat het proces fysisch ook echt kan
Discussie
geef voorbeelden van historische en
procesverklaringen in tot nu toe
bestudeerde artikelen
Procesverklaringen zijn gebaseerd op
fysica. Zijn ze daarom beter?
(Van de historische verklaringen is
bijvoorbeeld helemaal niet duidelijk of ze
wel van belang zijn)
belachelijk korte samenvatting:
Filosofie van Aardwetenschappen (volgens Kleinhans)
Abductie! (en deductie en inductie)
■deductief (modellen)
+ inductief werk
ingebed in abductieve verklaringsstructuur
(aardwetenschappelijke theorie is hypothese)
■gehinderd door onderdeterminatieproblemen
Geen superieure benadering beschikbaar
■ combineer complementaire benaderingen
(waarneming/meting, experimenten, modellen)
met elk hun eigen Achilleshiel
■sta (tijdelijk?) meerdere en belachelijke hypothesen toe
2/9/2014
25
GROTE vragen
1. Wat zijn fundamentele beperkingen van
waarnemingen, experimenten en
modellen?
2. Hoe verklaren we in de
aardwetenschappen?
Hoe presenteren we onze verklaringen
(en waarom zo)?
Ontleed een artikel
Logische structuur? Waar zit *ductie?
Combinatie? Waar zitten ANDs?
Verborgen aannamen?
Achtergrondtheory, fysisch reductionisme?
Waar zitten de belangrijkste
onderdeterminatieproblemen?
Jouw essay: Zoek een artikel over iets aardwetenschappelijks
dat je interessant vindt,
geschreven door UU Geowetenschapper
4 pagina’s A4 geprint in mijn postvak
bespreek keuze met mij
deadline 1e versie <datum> 1700 uur aan referent
deadline 2e versie <datum> 1700 uur aan mij
3e versie emailen aan auteur (met cc naar mij)
en vragen om afspraak ter bespreking
vat gesprek samen/evalueer / en email aan mij!
deadline samenvatting en evt 4e versie <datum>
2/9/2014
26
Hoe analyseer je bv. een/jouw tekst?
1. Welk type claim?
2. Betekenis hoofdtermen?
3. Onderbouwen de argumenten de these?
4. Zijn de premissen waar?
5. Zijn de aannamen correct?
6. Zijn de logische consequenties plausibel?
7. Hoe adequaat is de these?
(tegenvoorbeelden?)
Aandachtspunten Lees hints
Denk filosofisch:
Stel overal vragen bij (methodologie, logica) rond
de hoofdclaim / verklaring
■E.g. model = inhoud + numeriek + ini / randvoorwaarden
Ga in op filosofie, niet inhoud
Maar wees ook realistisch
■Perfecte wetenschap kan niet; wat hebben auteurs
gedaan om hun claim aannemelijk te maken?
Waar zitten knelpunten?
■Presenteer claim en methode
met voordeel van de twijfel