2/9/2014

1

Research group River and delta morphodynamics

Geologica filosofie van de aardwetenschappen

Dr. Maarten Kleinhans m.g.kleinhans@uu.nl

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