Complexiteit, modern natuurkunde en de noodzaak van een multidisciplinaire aanpak, A. Driessen

Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, 1995/6 p. 105-106 (1995)

1

Complexiteit, moderne natuurkunde en de

noodzaak van een multidisciplinaire aanpak

Het is altijd moeilijk de grote lijnen in langdurige veranderingsprocessen te ontdekken, maar

zonder twijfel is er iets in de natuurkunde grondig aan het veranderen. Een indicatie hiervoor zijn

b.v. de personeelsadvertenties waarin natuurkundigen worden gezocht. Zowel het aantal

advertenties als het gezochte type natuurkundige is sterk veranderd. Niet meer de specialist, met

een aantoonbare excellentie in zijn specialiteit wordt gezocht, maar veeleer de generalist, gewend

aan werken in een multidisciplinaire omgeving. Recente Nederlandse rapporten wijzen ook in

deze richting. Zo vindt men in het AWT rapport nr.11 "De bedrijven ervaren dat afgestudeerden

moeilijk in staat zijn hun kennis van verschillende disciplines te combineren en te integreren"[1],

en in Koersen op kennis "Verder dienen fysici meer te leren werken in een multidisciplinaire

omgeving en binnen multidisciplinaire projecten"[2]. Met een zeker pragmatisme kan men hierop

inspelen. De studenten lijken intoenemende mate voor een richting te kiezen waarnaar een

maatschappelijke vraag te verwachten valt. Bijgevolg werken enkele traditionele universiteiten in

Nederland aan een technische of toegepaste variant van het natuurkunde curriculum.Tegelijk

wordt op het gevaar gewezen dat hiermee op de langere duur de kwaliteit van het natuurkunde-

onderwijs en -onderzoek wel degelijk negatief kan worden beinvloed. Terecht kan men zich

afvragen of zulk een pragmatisme verantwoord is. Al zou het op den duur tot nieuwe banen en

vervolgens tot economische groei kunnen leiden, toch blijft er een onderdrukt verlangen naar de

good old days van de natuurkunde aanwezig. Er is echter ook een andere visie op de

wenselijkheid van veranderingen mogelijk. In het volgende zal ik trachten aan te tonen dat de

natuurkunde blijkbaar voor een nieuwe uitdaging staat. Deze uitdaging is het werken aan

complexe systemen zoals die in de techniek, maarook in de chemie, biologie of andere

wetenschappen voorkomen.

Complexe systemen

Op een recent symposium [3], presenteerde F.Tito Arecchi, van de Universiteit van Florence,

een bijdrage met als titel: Causality, chaos and complexity. In de loop van het verhaal toonde hij

het diagram dat weergegeven is in figuur 1, waarin C, de graad van complexiteit van een systeem

is getekend als een functie van K, de graad van de chaos in dit systeem. Hierbij betekent K = 0

dat het systeem voorspelbaar is. Bij een grote waarde van K gaat de informatie van het systeem

steeds meer verloren, net als in een systeem met maximale entropie. Men zou kunnen zeggen dat

de K-as iets zegt over de ontwikkeling van het systeem in de tijd. De graad van complexiteit C is

net als K moeilijk te definieren,maar intutief is deze gerelateerd aan de structuur van het systeem.

Met een groter aantal onafhankelijke vrijheidsgraden en verschillende functies zal C toenemen.

Arecchi geeft de locatie van enkele systemen in het (C,K) vlak. Systemen met lage C en K

dichtbij de oorsprong zijn b.v. systemen met regelmatige beweging: ons zonnestelsel, zwarte

gaten, maar ook een perfect kristal. Met toenemende C en K vindt men b.v. een sterrenstelsel,

later een virus en als systeem met hoogste complexiteit de menselijke hersenen. Daarna kan K

wel toenemen maar de complexiteit zal afnemen, totdat men uiteindelijk bij heel lage

complexiteit en grote K bij een systeem als het ideale gas komt. De gebieden waar de fysica sinds

Galileo mee bezig is zijn volgens Arecchi de 2 rechthoeken rechts en links onder in de grafiek.

Complexiteit, modern natuurkunde en de noodzaak van een multidisciplinaire aanpak, A. Driessen

Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, 1995/6 p. 105-106 (1995)

2

De uitdaging voor de wetenschap is thans om tot een diepere kennis van systemen in de rest van

de figuur te komen, nu de fysica een enorme vooruitgang met eenvoudige systemen heeft

geboekt. Hierbij zal de fysica zeker een grote inbreng hebben. Maar het is vanzelfsprekend dat in

het geval van een virus ook chemie en biologie er nauw bij betrokken zullen zijn. In het geval van

de menselijke hersenen komen er dan nog fysiologie, neurologie en psychologie bij. En wil men

dan nog het functionele aspect bestuderen, dan zou men ook degedragswetenschappen en

misschien zelfs de alfawetenschappen er bij moeten betrekken. Met andere woorden: vooruitgang

in kennis van complexe systemen is slechts mogelijk met een aanpak, waarbij kennis uit

verschillende vakgebieden wordt geintegreerd. Arecchi gebruikte in zijn figuur slechts in de

natuur voorkomende systemen. Persoonlijk zou ik geneigd zijn kunstmatige complexe systemen

als een optisch telecommunicatienetwerk of een supercomputer ergens tussen sterrestelsel en

virus te plaatsen.

Fig. 1 Graad van complexiteit C als een functie van de graad K van de chaos van een systeem.

De grijze rechthoeken geven het gebied aan, waarmee de natuurkundige zich tot nu toe

voornamelijk heeft bezig gehouden.

Ideale natuurkundige

Als deze visie op de ontwikkeling van de wetenschappen juist is - en tot nu toe is er weinig

aanleiding hieraan te twijfelen - dan heeft dit een grote invloed op het beeld van de ideale

natuurkundige. Vanzelfsprekend heeft ook de moderne natuurkundige een grondige kennis van

de fysica, maar hij kan meer. Hij is in staat zich het gedachtengoed of mentaliteit van een ander

vakgebied eigen te maken, zodat hij zijn specifieke kennis in de taal van de ander - de chemicus,

Complexiteit, modern natuurkunde en de noodzaak van een multidisciplinaire aanpak, A. Driessen

Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, 1995/6 p. 105-106 (1995)

3

bioloog of telecomingenieur - kan vertalen. Op deze manier levert hij de fysische kennis aan in

een multidisciplinair onderzoeksproject. Tegelijk is hij in staat de kennis uit verschillende

disciplines te integreren. Dit beeld van de natuurkundige zou ook een duidelijke neerslag moeten

vinden in het curriculum aan de (technische) universiteiten. De student zou erop voorbereid

moeten worden om, ondanks structurele leemtes in zijn eigen kennis, een constructieve en

creatieve bijdragen te leveren aan een integrale oplossing van het probleem.

Met het hierboven gezegde moge blijken, dat in de huidige technologische en maatschappelijke

ontwikkelingen vele positieve elementen voor de natuurkunde te ontdekken zijn. Deze goed te

benutten lijkt mij een uitdaging, die men niet uit de weg mag gaan.

Ref.

[1] Technici en onderzoekers: kwaliteit en kwantiteit Adviesraad voor het Wetenschaps- en

Technologiebeleid, nr 11, dec. '92 p. 12.

[2] Koersen op kennis, Voortgangsrapport van de Overlegcommissie Verkenningen, mei 1994,

pag. 31.

[3] The Mind-Body Problem, International Interdisciplinary Seminar, organized by the Institute

for Interdisciplinary Studies, Ponte di Legno, Italië 27-12-'94 /3-1-'95.

Fig. 1 Graad van complexiteit C als een functie van de graad K van de chaos van een systeem. De

grijze rechthoeken geven het gebied aan, waarmee de natuurkundige zich tot nu toe voornamelijk

heeft bezig gehouden.

Alfred Driessen

De auteur is gepromoveerd natuurkundige (UvA 1982) en werkt sinds 7 jaar als UHD aan

geïntegreerd optische devices aan de Faculteit der Technische Natuurkunde van de Universiteit

Twente.