Leven is eenvoudig - Johnjoe McFadden
Johnjoe McFadden is professor kwantumbiologie aan de universiteit van Surrey in het Verenigd Koninkrijk. Hij schreef dit boek met als titel Leven is eenvoudig om uit te zoeken in welke mate het principe dat Ockhams scheermes is gaan heten een bepalende rol speelt bij het ontrafelen van de geheimen die de natuur ons voorschotelt. William van Ockham (1285-1347) was een franciscaner monnik die als eerste formuleerde dat het zinloos is om met meer te doen wat kan worden gedaan met minder. Hij werd al snel aangeklaagd wegens ketterij toen hij met het door hem geformuleerde uitgangspunt tal van godsbewijzen naar de prullenmand verwees.
In 1934 stelde Einstein: “Het hogere doel van alle wetenschap is het herleiden van het grootste aantal empirische feiten op basis van logische deductie uit het kleinst mogelijke aantal hypotheses of axioma’s.” William Shakespeare zei “kortheid is de ziel van geestkracht” en Ludwig Mies Van Der Rohe formuleerde zijn ‘less is more’. Antoine de Saint-Exupery schreef: “Het lijkt erop dat perfectie niet wordt bereikt wanneer er niets meer is om toe te voegen, maar wanneer er niets meer is om weg te halen.”
Johnjoe McFadden beschouwt wetenschap als ‘de meest op samenwerking stoelende onderneming van de mensheid’. Hij zou daar wel eens gelijk in kunnen hebben. De oude Grieken wisten al dat de aarde rond was en begrepen het nodige van sterren en planeten, ook al hadden ze nog geen weet van de zwaartekracht. Maar de kerkvaders verordonneerden aan het begin van de middeleeuwen dat het maar eens afgelopen moest zijn met die flauwekul: de aarde was plat. En zowel de wetenschap als de economie stagneerden toen Augustinus zo nadrukkelijk de nieuwsgierigheid in de ban deed.
De islamieten daarentegen bleven wetenschap op hoog niveau bedrijven. De oude Grieken werden volop in het Arabisch vertaald. Optometrie, wiskunde en scheikunde namen daar een hoge vlucht. Pas in 999 nam het Westen onder invloed van Paus Sylvester II weer deel aan het wetenschappelijk discours, ook al dachten de wetenschappers uit die dagen nogal eens dat ze onderzoek deden binnen een tak van de theologie. Tegelijkertijd trokken de islamieten zich terug uit dat moderne discours en beperkten zij zich tot de letterlijke waarheid van de Koran.
Het was uiteindelijk Thomas van Aquino die de vier oorzaken van Aristoteles (de materiële, de vorm-, de werk- en de doeloorzaak) in de christelijke filosofie integreerde. Hij stelde dat de christelijke god de eerste materie, de eerste vorm en het eerste werk was van alle objecten en gebeurtenissen in de wereld. En, zo formuleerde hij: er bestaat een intelligent wezen door wie alle natuurlijke dingen naar hun einddoel worden gestuurd en dit wezen noemen we god. Hiermee meende hij de christelijke god met succes verenigd te hebben met het model van de kosmos zoals ons door Aristoteles was geschetst. Aristoteles had het ‘plenum’ gepostuleerd: materie zou eindeloos deelbaar zijn.
Het Aristotelisch syllogisme deed zijn intrede: twee premissen en een conclusie. Zoals in: Socrates is een mens; alle mensen zijn sterfelijk; dus Socrates is sterfelijk. Maar dat wordt al lastiger in: Socrates is een man; alle mannen hebben een baard (dat was misschien wel zo in de Griekse oudheid); dus Socrates heeft een baard. Ook de transsubstantiatie die zich voltrok in de eucharistieviering van de christenen was moeilijk uit te leggen maar Thomas van Aquino meende dat hij ook dat fenomeen kon doen passen in de Aristotelische wetenschap. En daarmee transsubstantieerde hij theologie in wetenschap.
Maar waar Thomas van Aquino de theologie als de koningin van de wetenschappen beschouwde, dacht William Ockham daar heel anders over. In tegenstelling tot de Griekse goden was de christelijke god almachtig. De Griekse filosofen hadden ‘universalia’ geïntroduceerd: vaders waren vaders omdat ze vervuld waren van het universale vaderschap, kersen waren kersen etc. En zo’n universale bevatte dan alle wezenskenmerken van het desbetreffend object. Aristoteles verdeelde zijn universalia over tien categorieën. Maar Ockham ging daar niet in mee en stelde dat je simpelweg kon volstaan met: een vader is vader omdat hij een zoon of dochter heeft. Spaarzaamheid in de redenatie. En daarmee verdween ook het syllogisme. Wil je weten of iemand sterfelijk is? Schiet dan een pijl op hem af. Anders gezegd: je kunt alleen tot wetenschap komen door ervaring en waarneming.
Volgens Ockham kan wetenschap hoogstens waarschijnlijkheden opleveren, geen bewijs. De aristotelische oorzaken (materie, vorm, werk en doel) leidden tot mogelijk eindeloze ketens van oorzaak en gevolg, die volgens Aquino werden bekroond door een eerste oorzaak, God. Maar Ockham vond die goddelijke bekroning niet logisch of nodig. In de redenatie van Aristoteles was het doel van varkens te worden opgegeten, maar dan zou de oorzaak van dat varken in de toekomst liggen. Dan maak je wetenschap onmogelijk omdat we nu eenmaal geen toegang tot de toekomst hebben. Anders gezegd: Ockham moest niets van teleologie hebben. De waaromvraag is doorgaans zinloos, vraag eerder naar het hoe. Het nominalisme van Ockham stelde dat woorden voor abstracte begrippen, zoals bijvoorbeeld vaderschap, verwijzen naar een mentale in plaats van een reële eenheid en daarom niet moeten worden gebruikt in de wetenschap.
Ockham geloofde dus niet in universalia, voor hem waren alleen substantie en kwaliteit van belang. Kwantiteit was onbelangrijk maar daarmee haalde hij de poging van Aquino om het wonder in te lijven in de wetenschap, onderuit. Niet vreemd dat de kerk zich stoorde aan Ockham. Theologie, zei hij, is geen echte wetenschap. Sterker nog, hij stelde dat wetenschap en religie fundamenteel en onherroepelijk onverenigbaar zijn. God overstijgt immers het menselijk verstand en het verstand is niet in staat kennis te verkrijgen over het goddelijke. Kennis van God komt via het geloof en de bijbel kan geen kennis over de wereld verschaffen. Letterlijk schrijft hij: “Het is onmogelijk om de principes van de theologie louter via het geloof aan te nemen en de conclusies ervan op wetenschappelijke wijze te kennen. (-) Het is dwaas om te beweren dat ik wetenschappelijke kennis heb van de conclusies van de theologie op grond van het feit dat God principes kent die ik via het geloof aanneem”. En hij voegde daaraan toe: “Alleen het geloof geeft ons toegang tot theologische waarheden”.
Niet vreemd dat Ockham uiteindelijk ter verantwoording werd geroepen door de paus die hem uit de kerk zou verbannen. William toog daartoe in 1324 naar Avignon, de toenmalige zetel van de paus. Petrarca noemde de stad de beerput van de wereld en hij bedoelde dat letterlijk. Ofschoon de paus beweerde dat Ockham vele onjuiste en ketterse opvattingen had verkondigd, werd het proces nooit afgerond en werd Ockham nooit veroordeeld. Hij ontvluchtte Avignon en bracht de rest van zijn leven door als geëxcommuniceerde banneling.
Aristoteles had bepaald dat de wiskunde niet kon worden toegepast op substanties. Daarmee blokkeerde hij onbedoeld de voortgang van de wetenschap. De schuine zijde van een rechthoekige driehoek is veel eenvoudiger te berekenen als je de lengtes van de rechte zijden en de stelling van Pythagoras kent. Elke vraag eindigde in een moeras van categorieën, reden voor Ockham om acht van de tien Aristotelische categorieën te schrappen. Hij introduceerde de nominalistische wetenschap, gebaseerd op ervaring. Voor het eerst kon snelheid worden gedefinieerd door afstand te delen door tijd. En al snel kon ook de oorzaak van beweging worden benoemd als impuls ofwel gewicht maal snelheid. En beweging is geen ding maar een relatie tussen objecten. Voor het eerst werd verondersteld dat de aarde wel eens zou kunnen bewegen, draaien temidden van stilstaande sterren: het scheermes van Ockham. En toen brak de pest uit, in 1347. De mensen hadden anderhalve eeuw geen tijd, energie of belangstelling meer voor wetenschap. Zonder de pest zou de industriële revolutie zeker al in de 17de eeuw hebben plaatsgevonden.
Een nieuwe mijlpaal werd bereikt toen Johannes Gutenberg in 1445 de boekdrukkunst uitvond. Het was Copernicus (1473-1543) die tot de Ockhamiaanse slotsom kwam dat hij een veel eenvoudiger kosmos kreeg als de aarde elke dag ronddraait in plaats van alle andere hemellichamen. En het werd er alleen maar fraaier op als de aarde rond de zon zou cirkelen. Het was Kepler (1571-1630) die het als eerste aandurfde om de Platoonse eis van eenparige snelheid van hemellichamen alsmede de eis van perfecte cirkels die deze lichamen moesten doorlopen, te laten vallen. En dat stelde hem in staat een kosmisch model te presenteren dat recht deed aan de waarnemingen en metingen tot dan toe. Een model dat tot op de dag van vandaag standhoudt. Kepler toonde met zijn drie wetten aan dat de wiskunde in staat was de bewegingen in de kosmos te analyseren en voorspellen. Maar hoe zat het nu met de wiskunde op aarde?
Galilei (1564-1642) ontdekte dat de maan een ruw oppervlak had en dat er ook planeten waren die rond andere planeten draaiden. Dus niet alles draait om de aarde, precies wat Ockham drie eeuwen eerder al vermoedde. Maar als alles om de zon draait, waar is dan de hel, waar de hemel? Merkwaardig genoeg hield Galilei vast aan het Copernicaanse model en niet aan het veel simpeler model van Kepler. Om zich niet de woede van de kerk op de hals te halen trok hij zijn claim dat de aarde bewoog in. Niettemin wordt hij beschouwd als de vader van de experimentele wetenschap. Hij ontdekte dat zwaardere objecten in een vacuüm helemaal niet sneller vielen dan lichte. En dat de valsnelheid geen constante was. Hij berekende de baan van een projectiel. En hij toonde de Galileïsche invariantie aan: er is geen verschil tussen een vallende druppel op een stilliggend schip en diezelfde druppel op een schip dat zich met een eenparige snelheid voortbeweegt. Hij beschreef de materiaalkunde en de bewegingsleer en daarbinnen de wet van de inertie, de wet van vallende objecten en de parabolische beweging van projectielen.
Democritus (ca 460 tot ca 356 vC) stelde al dat alle materie is opgebouwd uit kleine bewegende deeltjes, atomen. Aristoteles wees dat echter af. Descartes (1596-1650) evenwel volgde Democritus en zei dat die rondwervelende deeltjes na hun schepping mechanisch bewogen. Hobbes (1588-1679) ging nog verder en stelde dat ook god, de ziel en de mens uit louter materie bestaan en dat materie uit bewegende deeltjes bestaat. In zijn ogen kunnen we van een almachtige god alleen weten dat hij de eerste oorzaak van alle oorzaken is.
De Engelsman Robert Boyle (1627-2691) stelde dat een goede theorie moet zijn gebaseerd op waarnemingen (1), dat een theorie logisch moest zijn en (2) niet met zichzelf in tegenspraak mocht zijn (3), theorieën moeten zijn gebaseerd op voldoende bewijs (4) en voorspellingen voortvloeiende uit de theorie moesten experimenteel worden aangetoond (5), de ware principes dienden te worden gereduceerd tot het kleinst mogelijke aantal (6), theorieën dienden helder en begrijpelijk te zijn (7), een theorie mag niets vooronderstellen en dus niet zijn gestoeld op een dogma (8), een theorie mag niet strijdig zijn met bekende verschijnselen van het universum (9) en tot slot: “van alle goede moet het vervolgens de eenvoudigste zijn, vrij tenminste van alles wat overbodig is (10)”. Merk op dat in meerdere van deze tien principes van Boyle Ockhams scheermes doorklinkt. Boyle formuleerde onder meer de eerste gaswet, een wonder van eenvoud: bij een constante temperatuur is het volume van gas omgekeerd evenredig met zijn druk.
Isaac Newton (1643-1727) had al heel snel ontdekt dat en waarom planeten een ellipsvormige baan om de zon maakten. In 1687 werd zijn Principa gepubliceerd, waarin Newton met drie wiskundig gedefinieerde bewegingswetten het fundament legde voor de klassieke mechanica. Hij formuleerde de wet van de zwaartekracht die stelt dat de uitgeoefende zwaartekracht tussen twee objecten gelijk is aan een constante (de gravitatieconstante G) maal het product van hun massa’s, gedeeld door het kwadraat van de afstand tussen beide objecten. Ook begreep Newton dat als een object op aarde valt, het versnelt. En dus, verklaarde Newton, is de zwaartekracht, die planetaire banen doet krommen, ook actief op aarde en doet appels van bomen vallen.
Benjamin Thompson (1753-1812), die zich later Count Rumford zou laten noemen, vond de kinetische warmtetheorie uit: warmte is een eenheid van beweging in de deeltjes van materie. Ofwel warmte is een vorm van beweging. Daardoor kon uiteindelijk de thermodynamica ontstaan. Prompt kwam de industriële revolutie op gang. En ook hier was Ockhams scheermes van grote invloed: ontdoe modellen van alles wat overbodig is, zodat je tot veel nauwkeuriger voorspellingen kunt komen en dus tot snellere correcties en verbeteringen aan modellen en machines.
Tot nog toe hadden we het over mechanica maar hoe zit het nu met mens en dier? Aristoteles meende dat de ziel het beginsel van het dierenleven was. Heel lang was de gangbare hypothese dat leven werd veroorzaakt door een zichtbare of onzichtbare beweger. Een magneetsteen die spijkers kon doen bewegen werd dan ook als levend met een magische ziel beschouwd. Het was Benjamin Franklin die ontdekte dat bliksem gewoon een vorm van elektriciteit was. Het bleek de elektriciteit te zijn, een eenheid zonder noodzaak, die aan de basis lag van leven.
Ockham formuleerde al circa 1320 dat snijtanden en kiezen bij dieren niet bestaan vanwege hun gebruik maar “wanneer ze ontstaan, dan overleven de dieren. De reden hiervoor is (…) deze onderdelen worden bij toeval geschikt voor het behoud van het dier”. Deze Ockham was waarlijk een geweldenaar, vijf eeuwen eerder dan Darwin begreep hij al dat er zoiets als evolutie moest bestaan! Althans, hij doorzag een algemeen principe achter die evolutie. Het is eigenlijk een wonder dat het zo lang moest duren voor Darwin en Wallace aan hun baanbrekend werk begonnen.
Van Aristoteles tot Linnaeus dacht men dat soorten onveranderlijk waren. Alleen Ockham had een voorgevoel dat die opvatting niet klopte. En het viel ook bepaald niet mee om fossielen te duiden, maar uiteindelijk kon men er niet om heen: fossielen waren toch echt versteende resten van uitgestorven planten en dieren. Darwin deed een beetje geringschattend over de Wet van Wallace, de Wet van Sarawak, waarmee Wallace Ockham in de biologie introduceerde: elke soort is parallel in ruimte en tijd tot ontstaan gekomen met nauw verwante soorten. Darwin en Wallace zaten beiden op hetzelfde spoor. Wallace begreep dat verwante soorten op dezelfde plaats en in dezelfde periode verschijnen omdat ze afstammen van dezelfde voorouder, via het proces van natuurlijke selectie. Wallace was en bleef een socialist, voorstander van vrouwenrechten en nationalisatie van landgoederen en een fel tegenstander van eugenetica.
Het was Johann Mendel (1822-1884) die ontdekte dat wat wij tegenwoordig genen noemen, verantwoordelijk was voor de onveranderlijke eigenschappen die door de generaties heen werden doorgegeven. En toen Thomas Hunt Morgan (1866-1945) het mutatieproces had ontdekt kon Darwins theorie worden gevalideerd: de neodarwiniaanse synthese was volbracht en vormde de hoeksteen van de genetica, van de biologie. De vraag die nu nog beantwoord moest worden was waar de genen nu eigenlijk vandaan kwamen. Daarvoor moesten we wachten tot 1953 toen James Watson en Francis Crick de dubbele helix van het DNA ontdekten. De erfelijkheid was ontrafeld!
Het scheermes van Ockham schrijft voor dat je in de wetenschap naar eenvoud streeft en alleen complexiteit toevoegt als dat noodzakelijk is om tot een coherent model of een coherentie theorie te komen. De praktijk laat ook zien dat het scheermes niet garandeert dat de wereld er eenvoudiger op wordt maar het draait er wel bijna altijd op uit. Maar laten we hier wel opmerken en vaststellen dat we in de wetenschap vooral gebruik maken van de wiskunde. En wiskunde is niet relatief ten opzichte van iets. Wiskunde is een taal die overal begrepen kan worden. De modellen van de wetenschap werken omdat ze eenvoudig zijn en in staat zijn tot accurate voorspellingen.
Neutrino’s hebben geen interactie met andere deeltjes en lijken zonder noodzaak. Maar neutrino’s waren onmisbaar voor de ontbranding van sterren, het proces dat zich relatief snel na de oerknal voltrok. Zonder neutrino’s zou het heelal donker en zonder leven zijn. We weten dat een ster aan het einde van haar leven in elkaar stort tot een witte dwerg of met veel kabaal uiteenspat in wat we een supernova noemen. Supernova’s zijn verantwoordelijk voor het wegblazen van de zware elementen die noodzakelijk zijn voor leven. Het sterrenstof waarvan wij gemaakt zijn wordt verspreid door neutrino’s. Die zijn dus bepaald niet zonder noodzaak. Ook donkere materie is niet zonder noodzaak, want belangrijk voor het ontstaan van sterren en voor het terugbuigen in het sterrenstelsel van het door supernova’s uitgeworpen materiaal. Donkere energie snappen we nog steeds niet en ook in de deeltjesleer moeten we nog het nodige ontrafelen.
We komen nu bij het meest fantastische deel van onze reis met Ockham: hoe zit het nu met die kosmos, wanneer en hoe ontstaan en op weg waarnaartoe? Zou er sprake kunnen zijn van kosmologische natuurlijke selectie? Het is de Amerikaanse wetenschapper Lee Smolin (1955) die op dit terrein baanbrekend werk heeft verricht. Bij natuurlijke selectie moet er sprake zijn van eigen voortplanting, erfelijkheid en mutatie. Welnu, in het ‘Big Crunch’ model wordt het universum opgeslokt door een gigantisch zwart gat. Aan de andere kant daarvan zou een nieuwe big bang kunnen plaatsvinden voor een nieuw universum zoals onze oerknal ook voorafgegaan zou kunnen zijn door de vraatzucht van een daaraan ten grondslag liggend zwart gat. Wat betreft de erfelijkheid kunnen we opperen dat elk kind-universum de parameters en de natuurkundige constanten van zijn ouder erft. Maar hoe zit het dan met variaties via mutaties? Wel, die zouden kunnen ontstaan tijdens de tumultueuze passage van een universum door een zwart gat.
Is het niet fascinerend en prachtig dat we zulke scenario’s kunnen bedenken? Die nog plausibel kunnen zijn ook? En ook hier verbaast William van Ockham ons met zijn opmerking dat god wellicht ook andere werelden dan de onze had geschapen. Ik begin steeds meer ontzag voor deze middeleeuwse monnik te krijgen!
Uit computersimulaties van Smolin kan men afleiden dat ons heelal zo goed is als maar kan in het voortbrengen van zwarte gaten, precies zoals zijn theorie van kosmologische natuurlijke selectie voorspelt. En ook hier is het scheermes van Ockham uitstekend hanteerbaar. Als Smolin de juiste denkrichting vond, dan is de fundamentele wet van het heelal niet de kwantummechanica, niet de algemene relativiteitstheorie, noch enige wiskundige wet. De fundamentele wet van het heelal is dan de wet van de natuurlijke selectie. Dat hadden Darwin en Wallace nooit kunnen bevroeden. Rest ons nog de beste theorie voor de structuur van de kosmos te verenigen met de beste theorie voor de kwantummechanica. De natuurkundige John Archibald Wheeler zei: “Achter dit alles ligt vast en zeker een idee dat zo eenvoudig, zo mooi is, dat wanneer we het eenmaal begrijpen – over een decennium, een eeuw, of een millennium – we allemaal tegen elkaar zullen zeggen: hoe had het ook anders kunnen zijn?”
Dit Leven is eenvoudig ervoer ik als een spectaculair boek. Nooit eerder zou ik op het idee gekomen zijn dat de wetten van de biologie ook opgeld zouden kunnen doen voor het universum. Het maakt het werk van Darwin en Wallace (eigenlijk moet je deze beide namen altijd tegelijk en in combinatie met elkaar vermelden) alleen maar des te indrukwekkender. Maar meer nog ben ik onder de indruk geraakt van William van Ockham, wiens scheermes ik wel kende maar McFadden geeft hem de statuur die hij verdient. En en passant komen we al die fantastische wetenschappers tegen die geweldige ontdekkingen deden, alleen maar gedreven door hun nieuwsgierigheid. Dat zijn mensen voor wie ik een mateloze bewondering heb. De nieuwsgierigheid heb ik wel, maar helaas niet de genialiteit van al die tot de verbeelding sprekende wetenschappers. Wat een prachtig boek is dit! Ik heb Hoe leven ontstaat van McFadden en Al-Khalili al besteld.
Recensie door Enno Nuy
Johnjoe McFadden, Leven is eenvoudig. Ockhams scheermes en een nieuwe geschiedenis van de wetenschap en het heelal, Atlas Contact, 2021, 373 pagina’s
