Opwindend modelleren
Louise Fresco
NRC 21 december 1996
Onderzoekers die met modellen werken,kunnen vaak op diepe
verontwaardiging rekenen. Modellen zijn gevaarlijk, hoor je wel,
modellenbouwers zijn manipulatoren. Er is in brede kring een afkeer aan
het ontstaan van wetenschappelijk reductionisme zoals dat in
wetenschappelijke modellen gehanteerd wordt. Eigenlijk is dat raar, want
in ieder mens schuilt een modellenbouwer. We hebben allemaal talloze
onuitgesproken beelden die onze gedachten en handelen beinvloeden,
varierend van een sociale kaart van onze vriendenkring tot een idee
over hoe de wereld in elkaar zit. In zekere zin zijn die mentale kaarten
modellen. In het politiek spraakgebruik duidt het woord model vooral op
een blauwdruk, een gewenst model, bijvoorbeeld van de inkomensverdeling,
verkeersstromen of het onderwijs.
Ik denk dat belangrijkste wat het
wetenschappelijk denken onderscheidt van de dagelijkse ervaring het
bewuste gebruik is van beperkte voorstellingen van de werkelijkheid. Wat
we in het dagelijks leven impliciet doen, de wereld om ons heen handbaar
maken, moet in de wetenschap expliciet gebeuren. Helaas is het woord
model een soort stoplap geworden, net zoals systeem, zodat er een
spraakverwarring is ontstaan. Vandaag maar eens een poging om een tipje
van de sluier van het wetenschappelijk modelleren op te lichten.
Wetenschappelijke modellen zijn voorstellingen die de werkelijkheid met
opzet geweld aandoen door hun onvolledigheid. Zo kan je, als je de
beweging van water in de bodem wilt bestuderen, een bodemmodel ontwerpen
dat uit twee of drie lagen bestaat met verschillende doorlatendheid,
waarin het water dus met verschillende snelheden stroomt. In
werkelijkheid bestaan er meestal meer lagen en liggen ze zelden keurig
horizontaal met duidelijk afgebakende grenslagen. In het model komen
bovendien allerlei verstoringen niet voor; geen kiezelsteentjes of
boomwortels, geen fanatiek gravende mollen.
Modellen bouwen is een
kunst. De kunst van het weglaten, van het slim (dus niet te ingewikkeld)
weergeven van relevante details. Een gesloten kronendak in het bos zou
je eventueel met een egale lijn kunnen weergeven waarop het zonlicht
valt en van waaruit het water verdampt. Maar hoe ontwerp je een model
voor een gewas dat begint als een verzameling ver uit elkaarstaande
kiemplantjes die langzaam naar elkaar toe groeien? Een heel aardige
oplossing is dan om de kiemplantjes als perfecte bollen weer te geven
die gelijkmatig naar alle kanten uitzetten tot ze elkaar raken (dat er
uiteindelijk nog wat ruimte overblijft tussen de bollen is een vervelend
maar berekenbaar probleem). Geometrische vormen zijn voor het modelleren
handig omdat je daar eenvoudige natuurkundige wetten op los kunt laten.
Modellen moeten op allerlei manieren getest worden: gekalibreerd om ze
toepasbaar te maken voor een specifieke situatie, en dan getoetst om te
zien of ze wel resultaten opleveren die plausibel en verklaarbaar
lijken. Je kunt bijvoorbeeld beschikken over een algemeen model voor de
groei van een plant of een boom (daar bestaan tegenwoordig al hele
bibliotheken van), maar dat zal je dan toch nog moeten ombouwen naar
jouw eigen onderzoeksobject, bijvoorbeeld de berk of de roos. En zelfs
al gebruik je een bestaand rijstmodel, dan nog zul je het moeten
aanpassen aan de rijstvarieteit waar je zelf mee werkt, want de ene
varieteit reageert niet zoals de andere, maar groeit sneller heeft meer
blad of meer aren enzovoorts.
Hieruit blijkt al dat het modellen bouwen
bepaald geen sinecure is. Hoe meer eisen je stelt aan wat het model moet
kunnen, hoe meer werk, zeg maar programmaregels op de computer vereist
wordt. Je hebt modellen die heel nauwkeurig nabootsen hoe een plant of
embryo groeit, met tijdstapjes van een dag of een uur. Deze zogenoemde
dynamische simulatie modellen zijn gebouwd om inzicht te krijgen in
processen van groei en bijvoorbeeld orgaanontwikkeling. In andere
gevallen zul je niet precies het proces willen kennen, maar vooral
geinteresseerd zijn in de uitkomst. Ook daarvoor bestaan modellen die je
je moet voorstellen als een soort balans rekening: er gaan CO2, water en
voedingsstoffen in en er komt plantenmassa uit.
Modellen zijn werkelijk
voor alle mogelijke wetenschappelijke problemen te bedenken: voor de
concurrentie tussen heideplanten en het pijpenstrootje, voor de
verspreiding van zware metalen in het water, voor de ontwikkeling van
erosie in berglandschappen, voor het gedrag van overheden in de Europese
Unie. Modellen hoeven ook niet wiskundig te zijn, maar zonder wiskunde
kun je zelden meer dan een vage uitspraak doen.
Als je eenmaal een
model hebt, dan is het aardige dat je er ook gedachtenexperimenten mee
kunt uitvoeren. Zo kun je door te spelen met het 'aanbod' van
voedingsstoffen aan de modelplant, vaststellen waarvoor het bestudeerde
object het meest gevoelig is. Dan blijkt onder welke omstandigheden
water of temperatuur de doorslaggevende factor is bij de groei van
rijst. In tegenstelling tot wat de buitenwereld soms denkt, hebben
modellen zelden tot doel de werkelijkheid te beschrijven, laat staan
die te voorspellen.
Het meest opwindende van modellen is dat je een
nieuwe wereld kunt scheppen: bijvoorbeeld een wereld met twee of drie
keer zoveel CO2 waarin alle planten veel harder groeien. Het testen van
de modellen van dergelijke wereldbeelden op hun waarschijnlijkheid kan
alleen als die wereld ergens op kleine schaal bestaat. Gelukkig vinden
we in de buurt van sommige vulkanen hoge CO2-concentraties en kan de
groei van de planten daar als maat genomen worden. Ook kun je kassen
bouwen waarin het CO2-gehalte kunstmatig hoog gehouden wordt, om zo het
model van een empirische basis te voorzien. Op die manier worden
uitspraken over toekomstige klimaatverandering onderbouwd.
Maar er zijn
altijd beperkingen aan modeluitkomsten als het gaat om de werkelijke
gevolgen. Het effect van grootscheepse toevoeging van ijzer aan de
oceanen om de algengroei (en dus de CO2-opname) te stimuleren, kun je
wel nabootsen met een model, maar je kunt slechts minieme stukjes van de
oceaan op die manier behandelen, zodat je nooit zeker weet of het effect
ook geldig is voor de hele wereld, of dat er onverwachte dingen
gebeuren.
Het gebruik van modellen roept door de ingebouwde beperkingen
weerstanden op. Hoe kan je ooit een mens reduceren tot een geluk
maximaliserende consument, een lieflijk meer tot een strijdtoneel tussen
roofvissen of een rozenperk tot een tunnelvormige groene massa? Kan je
echt, om de grenzen van het wereldvoedselvraagstuk te verkennen, een
model laten berekenen wat er gebeurt als je de Sahara irrigeert? Ja dat
kan, binnen de grenzen van het doel van het onderzoek. Maar realistisch
is dat laatst niet, want je kunt met aan zekerheid grenzende
waarschijnlijkhei stellen dat dat de komende honderd jaar niet zal
gebeuren. De resultaten zijn alleen bedoeld als discussiestof, niet als
recept voor de toekomst. Met de blauwdruk waar de politiek naar
verlangt, hebben dergelijke modeluitkomsten niets te maken.
Dankzij de
informatica heeft het modelleren een grote vlucht genomen rekenkracht is
immers nauwelijks meer een beperkende factor. Een onverwacht gevolg
hiervan is dat de oude driedeling tussen alfa-,beta- en
gammawetenschappen zelfs langzaam lijkt te vervagen ten gunste van een
tweedeling: de modellerende, dat wil zeggen alle beta- en de
kwantitatieve alfa- en gamma wetenschappen, zoals de taalkunde en de
economie, en de overige niet-modellerende wetenschappen, zoals de
letterkunde. Daarmee komt ook boven tafel dat er in elke wetenschap een
selectief en speculatief element zit, een keuze om de ene of de andere
factor zwaarder te laten wegen of zelfs weg te laten. Zo kunnen
landbouwkundigen doen alsof water geen beperkende factor is voor
planten, of alleen maar bij een bepaalde temperatuur. Een internationale
vergelijking van tarwemodellen die een identieke set gegevens moesten
verwerken, leverde gigantische verschillen in uitkomsten op zo sterk is
het subjectieve element. Niets is beter voor de wetenschap. Gevaarlijk
zijn die modellen niet. Integendeel,hoe meer modellen hoe meer
concurrentie en hoe meer discussie. Met manipulatie heeft dat niets te
maken.
Contact informatie:
Kees
Vuik
Terug naar de wi1149
pagina of de
home page
van Kees Vuik
Laatst aangepast op 29-03-2001 door Kees Vuik
Deze pagina is getyped door Ardin Mourik en Jacolien Vuik