Scriptieprijswinnaar UU: waarom Einstein won van Lorentz

Wat als twee natuurkundige theorieën dezelfde resultaten voorspellen, maar een ander wereldbeeld schetsen? De filosofie laat zien dat resultaten uit experimenten tóch de doorslag kunnen geven, stelt de Chileen Pablo Acuña Luongo in zijn scriptie. Met dit interdisciplinaire meesterwerk won hij de UU-scriptieprijs 2013.De Nederlandse natuurkundige Lorentz was Einstein een jaar voor in het voorspellen van exact dezelfde resultaten uit de speciale relativiteitstheorie. Uiteindelijk was het toch Einstein die er vandoor ging met alle eer en glorie, Lorentz’ verklaring voor de resultaten was onjuist. Wat heeft ertoe geleid dat Lorentz uiteindelijk het onderspit moest delven? Pablo Acuña Luongo, (32, master History & Philosophy of Science) die in thuisland Chili al een master wetenschapsfilosofie had afgerond, beantwoordde deze vraag vanuit het wetenschapsfilosofische vraagstuk van ‘empirische equivalentie en onderbepaaldheid van theoriekeus’.Dat deed hij bepaald niet onverdienstelijk. Uit de drie genomineerde scripties riep de jury de interdisciplinaire thesis van Acuña (cijfer: 9) uit tot beste. Uit de laudatio: “De jury is zeer onder de indruk van de ongelooflijk brede implicaties en betekenis van het betoog, niet alleen voor de natuurkunde, maar ook voor andere wetenschappelijke disciplines.”De Chileen hield aan zijn afstudeeronderzoek niet alleen de scriptieprijs en een publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift over, maar ook een promotieplaats aan de UU. Ondanks deze veelbelovende carrièrestappen binnen de Nederlandse academische wereld, gaat Acuña begin 2014 terug naar zijn geboorteland. De voornaamste reden: de beurs die hij van de Chileense regering heeft gekregen om in Nederland te kunnen studeren verplicht hem daar enkele jaren te werken. Acuña: “Ik ben niet teleurgesteld. Het zal treurig zijn om uiteindelijk te vertrekken, want ik houd van Nederland en heb hier een stel goede vrienden gemaakt en mijn vriendin ontmoet. Maar elke keer als je verhuist, laat je mensen achter. Dat hoort erbij.”Ben je altijd al gefascineerd door de theorieën van Einstein en Lorentz?“Ik had eigenlijk nog niet van de theorie van Lorentz gehoord voordat ik het vak Geschiedenis van de Moderne Natuurkunde volgde. Daar leerde ik dat de theorie dezelfde experimentele resultaten voorspelt als de speciale relativiteitstheorie, maar dat zij eerder is bedacht. Een enorm fascinerende historische episode. Daarnaast wist ik al wat van het filosofische probleem van de empirische equivalentie en in de combinatie zag ik meteen een perfect scriptieonderwerp.”Empirische equivalentie, speciale relativiteit, Lorentz’ theorie. Klinkt niet als de meest makkelijke materie. Kun je ons globaal uitleggen wat je hebt onderzocht?“Ik zal beginnen met de empirische equivalentie. Een wetenschappelijke theorie wordt verworpen of geaccepteerd op basis van het succes van haar waarneembare voorspellingen.“Stel, twee theorieën omschrijven de wereld op twee verschillende manieren, maar de empirische voorspellingen zijn exact dezelfde. En stel dat deze voorspellingen vervolgens ook terug te zien zijn in experimenten. Empirisch bewijs alleen lijkt dan niet genoeg te zijn om te bepalen welke theorie moet worden geaccepteerd en welke verworpen. In mijn scriptie heb ik een methode voorgesteld om dit probleem op te lossen en dat vervolgens uitgetest op een historische natuurkundige casus.”Hoe gaat deze methode?“Door gebruik te maken van indirect empirisch bewijs. Oftewel bewijs dat is gebaseerd op waarneembare feiten in experimenten, maar dat pas via een soort omweg als bewijs kan gelden voor of tegen een theorie. Het beste kan ik het illustreren aan de hand van de casus Lorentz versus Einstein, waarop ik de methode heb toegepast.”“Albert Einstein presenteerde in 1905 de speciale relativiteitstheorie, die stelt dat tijd en lengte relatief zijn en afhangen van de bewegingssnelheid van de waarnemer. De mensen in het Olympisch Stadion zagen Usain Bolt bijvoorbeeld vorig jaar de 100 meter sprint in 9,63 seconden lopen. Mensen die in een vliegtuig met de helft van de snelheid van het licht over het stadion zouden vliegen, zouden echter een tijd van 11,12 seconde hebben geklokt. Ook zouden zij een afstand van maar 86,6 meter hebben gemeten. Tijd kun je niet los zien van ruimte – lengte, breedte en hoogte – maar is daarmee verweven en moet als vierde dimensie worden gezien. Er is eigenlijk sprake van een ruimtetijd.”“Wat eerder, in 1904, stelde Lorentz een theorie voor, die door Poincaré werd aangevuld. Deze ethertheorie is empirisch gelijkwaardig aan die van Einstein en doet dus exact dezelfde voorspellingen over bijvoorbeeld de 100 meter van Bolt. De theorie stelt echter een heel andere wereld voor. Er zou namelijk een ether zijn, oftewel een medium waar elektromagnetische stralen zoals licht doorheen reizen en dat doordringt in alle ruimte. Lorentz en Poincaré stelden dat waarnemers die niet bewegen ten opzichte van de ether de juiste tijd en lengte meten. Mensen die bewegen zouden in hun waarneming worden misleid door enkele fysische effecten waar zij zich niet van bewust kunnen zijn.”Hoe kan dan met de methode van indirect bewijs worden aangetoond dat Einstein het bij het rechte eind had?“Door deze twee theorieën te koppelen aan andere theorieën, heb ik in mijn thesis twee belangrijke argumenten kunnen geven om te stellen dat er indirect empirisch bewijs is tegen de ethertheorie. Allereerst is er de opkomst van de kwantummechanica in het begin van de twintigste eeuw. Kwanta zijn nodig om enkele belangrijke experimentele resultaten te verklaren, zoals de straling van zwarte lichamen. De kwantummechanica valt niet te rijmen met de ethertheorie, terwijl de speciale relativiteitstheorie er neutraal tegenover staat. Ik stel dat het directe bewijs voor de kwantumhypothese kan dienen als indirect bewijs tégen de ethertheorie, terwijl de resultaten niet onverenigbaar zijn met de speciale relativiteit.”“Het tweede indirecte bewijs is de algemene relativiteitstheorie van Einstein uit 1916, een generalisering van zijn speciale relativiteitstheorie. Daarin voorspelt hij onder meer dat licht wordt beïnvloed door zwaartekracht, terwijl de ethertheorie dit onmogelijk acht. In 1919 werd aangetoond dat licht inderdaad wordt beïnvloed door zwaartekracht. De algemene relativiteit is een uitbreiding van de speciale relativiteit, je zou dus kunnen zeggen dat het bewijs voor de algemene ook kan dienen als bewijs voor de speciale relativiteit.”“Deze casus toont aan dat indirect experimenteel bewijs kan bijdragen aan de acceptatie of verwerping van een bepaalde theorie. En dat dit bewijs kan voortkomen uit waarnemingen die niet direct worden voorspeld door de theorie in kwestie.”Zijn jouw bevindingen ook relevant buiten de natuurkunde? Of nog breder: buiten de wetenschap?“Ik weet niet of mijn afstudeeronderzoek waardevol is voor de maatschappij. Hoogstens voor een nauw afgebakende theoretische, academische gemeenschap. Ik denk dat alle wetenschapsfilosofen weten dat wat we doen voor de maatschappij niet veel praktische waarde heeft. Het heeft overwegend waarde op intellectueel vlak. Hetzelfde geldt voor mijn thesis.”Liep het hele scriptieschrijfproces gesmeerd?“Het begrijpen van Lorentz’ theorie was het moeilijkste. Speciale relativiteit is wiskundig gezien erg simpel, maar de theorie van Lorentz is veel gecompliceerder. Bovendien was ik nog niet bekend met die traditie binnen de natuurkunde. De rest was ongeveer zoals ik verwachtte. Uiteindelijk heb ik er een jaar over gedaan, iets meer dan ik verwachtte. Maar dat was prima. Ik beleefde er altijd plezier aan, soms zelfs op het obsessieve af.”Je bent nu aan het promoveren. Ook weer op empirisch equivalente theorieën?“Dat klopt. Ik werk aan de casus van ‘standaard’ kwantummechanica en David Bohms. De standaardtheorie heeft de meeste aanhangers onder natuurkundigen. Ik onderzoek wat daar de redenen voor zijn, of die redenen allemaal oké zijn en of de oplossing van indirect bewijs hier werkt – het lijkt erop van niet, of althans niet zo duidelijk als in de casus Lorentz versus Einstein.”Wat wil je na je promotie gaan doen?“In februari 2014 moet ik terug naar Chili. De beurs die ik heb gekregen van de Chileense overheid om in Nederland te studeren loopt dan af. Ik ben verplicht om vervolgens een paar jaar in Chili te gaan werken. Als het goed is, is mijn promotieonderzoek dan al een heel eind gevorderd. Het laatste deel kan ik eventueel nog daar afmaken. Daarna wil ik les geven en onderzoek doen op de universiteit. Ik ben totaal geen type voor de praktijk. Bovendien: als je als wetenschapsfilosoof wetenschapsfilosofie wilt beoefenen, is een universiteit de enige optie.”Waarom heb je gekozen voor Nederland en vind je het erg dat je weer vertrekt?“Het academische niveau in Chili is niet zo hoog als in ontwikkelde landen, ook al boeken we vooruitgang. Ik besefte dat ik een fancy PhD-diploma nodig heb om carrière te kunnen maken in de wetenschap. Het masterprogramma in Utrecht was precies wat ik wilde doen en is bovendien helemaal in het Engels. Bovendien spraken de stad Utrecht en de open minded en tolerante Nederlandse maatschappij me erg aan.”“Enerzijds vind ik het jammer dat ik weer vertrek volgend jaar. Wetenschapsfilosofie in Utrecht is fantastisch, de sfeer hier is heel prettig, ik houd van Nederlandse karaktertrekken als vriendelijkheid en directheid, ik heb hier goede vrienden gemaakt en mijn vriendin ontmoet. Anderzijds zal ik de verschrikkelijk koude, lange en donkere winters niet missen. Gelukkig komen daar het Latijns-Amerikaanse gevoel voor spontaniteit, de warme lichaamstaal, de berglandschappen die ik zie vanuit mijn raam, en de hereniging met vrienden en familie voor terug. En als het goed is gaat mijn vriendin, die uit Hongarije komt, met mij mee.”De scriptie van Pablo Acuña Luongo is hier te lezen.