Nieuwste blogberichten

Het tapijt van Sierpiński

Kunst en wetenschap zijn abstracte begrippen, maar wat gebeurt er als je een kunstenaar en een wetenschapper laat samenwerken aan een concreet project? Chaos gegarandeerd, maar komen er ook mooie dingen uit? Lees en oordel zelf.

Deze column is eerder verschenen in het zomernummer van Eos en op de Eos-website.

Sierpiński.

Iteraties van het tapijt van Sierpiński.

Het voorbije academiejaar liep er een pilootproject waarbij studenten van de Leuvense kunstacademie SLAC gekoppeld werden aan onderzoekers van de KU Leuven. Het project PiLoT1 werd vanuit de universiteit ondersteund door een STEM-coördinator. Het acroniem STEM is gebaseerd op de Engelstalige benamingen voor natuurwetenschappen, technologie, werktuigbouw en wiskunde. Op scholen leidt STEM tot mooie projecten, waarbij deze disciplines geïntegreerd worden. Eenzijdige STEM-promotie heeft echter ook een schaduwzijde: een impliciete suggestie dat andere disciplines minder relevant zouden zijn. Alsof menswetenschappen en talen niet even noodzakelijk zijn om jongeren voor te bereiden op een leven in onze toekomstige maatschappij.

STEAM, met de A van Arts, slaat een brug tussen kunsten en wetenschappen.

Ook de kunsten vallen buiten STEM. In reactie daarop werd STEAM voorgesteld, met de A van Arts erbij, om een brug te slaan tussen kunsten en wetenschappen. Ontwikkelaars van nieuwe technologieën, ingenieurs en architecten wegen immers ook esthetische criteria mee in hun ontwerpen. Door de intrinsieke schoonheid van wiskunde en wetenschap uit te lichten, kan bovendien de promotie van deze disciplines bevorderd worden. Omgekeerd kunnen kunstenaars zich onderscheiden door nieuwe materialen toe te passen, zoals Anish Kapoor die als enige Vantablack mag gebruiken. Dit is de zwartste verf ter wereld op basis van verticaal gealigneerde koolstofnanobuisjes. Daarnaast reageren sommige kunstenaars in hun werk op maatschappelijk ingrijpende gevolgen van ontwikkelingen in STEM-domeinen.Ik nam deel aan het STEAM-project PiLoT1 en werkte samen met Shuktara Momtaz. Ze is afkomstig uit Bangladesh en kwam naar België om haar opleiding in de architectuur te voltooien. Intussen werkt ze bij een ingenieursbureau en ’s avonds schildert ze in het vakoverschrijdend atelier. Het doel was om elkaar te inspireren en de resultaten te tonen in een afsluitende tentoonstelling met als thema “Chaos”.

Voor mij als fysicus speelt het begrip chaos een positieve rol: het helpt verklaren hoe eenvoudige deterministische systemen toch zeer complex, praktisch onvoorspelbaar gedrag kunnen vertonen. De meeste deelnemende kunstenaars associeerden chaos met negatieve of bedreigende emoties. Zo ook Shuktara. Zij verwoordde het als volgt: “Ondanks de chaos rond me, leef ik best.” Via onze gesprekken ontdekte ik wat ze hiermee bedoelde: als vrouw van niet-Westerse origine heeft ze in haar leven al veel discriminatie ervaren, maar ze laat het hoofd niet hangen en werkt hard aan een betere toekomst voor haar dochters.

We gingen op zoek naar een vorm om onze visies op chaos in een kunstwerk te verweven. Ik suggereerde een vorm die ontstaat door dezelfde regel op steeds kleinere schaal te herhalen. Dit zijn iteraties van een fractal, bijvoorbeeld het tapijt van Sierpiński: beginnend met een vierkant, telkens het midden van de overblijvende vierkanten weghalen. Shuktara was meteen enthousiast over het voorstel en stelde voor om er een kubus van te maken. Bij het FabLab kon ik de platen met een computergestuurde CO2-laser uitsnijden. (Meer details over de fractal en het FabLab-avontuur lees je hier.)

De zijvlakken van onze kubus zien er niet chaotisch uit, maar juist zeer geordend. Toch is er voor wetenschappers een nauwe relatie tussen fractals en chaos: fractals zijn vreemde attractoren die de baan bepalen van een deterministisch systeem dat zich chaotisch gedraagt. De chaos die bij deze fractal hoort, zie je dus niet in ons kunstwerk, maar is impliciet aanwezig.

PiLoT1.

Portret van Shuktara en Sylvia met hun kunstwerk tijdens de vernissage van PiLoT1. (Foto gemaakt door een dochter van Shuktara.)

De binnenkant beschilderde Shuktara met blauwe tinten acrylverf. Omdat het individu de wereld om zich heen niet of nauwelijks kan veranderen is de buitenkant onbewerkt gebleven. Zodra we ons buitenshuis begeven zijn we onderworpen aan hokjesdenken: andere mensen delen ons in – meestal op basis van uiterlijke kenmerken, zoals huidskleur en geslacht. Deze categorisatie gaat gepaard met oordelen en dat werpt schaduwen op ons leven. Bovendien herhalen de processen zich op verschillende niveaus: discriminatie kan optreden in individuele contacten, maar uitsluiting kan ook geïnstitutionaliseerd raken en zo steeds grotere schaduwen werpen. Deze schaalonafhankelijkheid wordt op een abstracte manier getoond in de zijvlakken van de kubus.

Hokjesdenken helpt ons op korte termijn om de chaos om ons heen te bestieren, maar veroorzaakt op langere termijn nieuwe chaos. Of we nu over STEM of STEAM praten, uiteindelijk moet het doel zijn om over de grenzen van ons eigen vak de wereld in te kijken, met een open vizier. Wellicht kunnen gesprekken tussen individuen een goede basis vormen voor zo’n nieuwe invalshoek: precies de meerwaarde van dit project.

Punthoofd

Deze column is verschenen in het september-nummer van Eos.

Shadow_Pedersen.

Illustratie uit 1847 van Vilhelm Pedersen bij het sprookje Skyggen van Andersen. (Bron afbeelding.)

Als kind hield ik mijn schaduw nauwlettend in het oog. Skyggen, of De schaduw, een sprookje uit 1847 van Hans Christian Andersen, had me waakzaam gemaakt. In Skyggen vertelt Andersen het verhaal van een geleerde die zijn schaduw verloor. Hoewel het een sprookje is, loopt het met de geleerde niet goed af.

Intussen weet ik dat het fysisch gezien niet mogelijk is om je schaduw te verliezen – ze blijft een trouwe metgezel tijdens eenzame wandeltochten. Ze loopt nooit te snel en klaagt evenmin. En je kan er veel van leren, vooral over optica.

Op een zonnige dag wandel ik voorbij een rij platanen. De schaduwen van hun stammen liggen als hordes over de weg. Telkens als ik de volgende schaduwhorde nader, zie ik hoe de schaduw van de boomstam die van mijn hoofd als het ware aanzuigt. En als ik weer uit de schaduw stap, blijft mijn schaduw er net iets langer aan plakken.

De straat maakt een bocht en daar voorbij verduisteren de kruinen bijna het hele wegdek. Als ik hier op een vroege ochtend voorbijkom, maakt de vochtige lucht de zonnestralen tussen de blaadjes zichtbaar en ontstaat er een zonneharp. Nu is er enkel het herkenbare schaduwpatroon van de blaadjes op de grond. Door de lichte bries verschuiven de schaduwen voortdurend, waarbij ze elkaar op vreemde wijze beïnvloeden. Mijn aandacht gaat er zo naar uit dat ik maar net op tijd aan de kant kan springen als er plots een auto opduikt. Oef, ik heb mijn schaduw nog!

In de berm sta ik vlakbij een boomstam. De schaduw nabij de stam is mooi afgelijnd. Naarmate ze verder van de boom af valt, komt er een bredere band halfschaduw naast de kernschaduw. Die halfschaduw ontstaat doordat de zon geen perfecte puntbron is. Lichtstralen van één kant van de zon belichten dit deel van de straat nog wel, maar stralen van de andere kant worden afgeblokt. De blaadjes van mijn boom hangen bovenaan in de kruin en bevinden zich dus verder van de straat dan de stam. Daardoor lijnt de schaduw van de blaadjes zich over het algemeen het minst scherp af. Bovendien zit er variatie in de afstand tussen de blaadjes onderling en de grond, wat voor een prettige afwisseling zorgt van donkere en minder donkere schaduwen.

De aflijning van mijn eigen schaduw varieert op dezelfde manier: van voeten naar hoofd neemt de afstand tot de straat toe en daarbij ontstaat er een steeds bredere zone met halfschaduw. Als de halfschaduw van mijn hoofd overlapt met de halfschaduw van een boomstam, dan wordt die zone ongeveer even donker als de kernschaduw. Doordat het donkere gebied iets groter wordt, lijkt mijn schaduw telkens te versnellen naar de volgende schaduw en er aan de andere kant iets trager van los te komen.

In het Engels heet dit fenomeen het shadow blister effect; ook shadow bulges komt voor. Ik vind blaren en builen geen goede associatie bij zo’n mooi optisch effect, al kan je bulges ook vertalen als opbolling, aanzwelling of uitdijing. Voor zover ik weet is er geen Nederlandse term voor dit fenomeen. Met goedkeuring van een Twitter-panel stel ik ‘schaduwvervloeiing’ voor.

Thuis staat de zon al laag. De schaduwrand van het raam valt op de tegenoverliggende muur. Ik ga voor het raam staan, zodat de schaduw van mijn hoofd binnen de lichtvlek van het raam valt. Dan ga ik op mijn tenen staan, waardoor mijn schaduwkruin zich uitrekt naar de schaduwzone erboven. Als ik mijn hand opsteek, zie ik dat ook de schaduwen van mijn vingers langer lijken te worden in de nabijheid van de schaduwrand. En als ik de vingers van mijn hand niet helemaal spreid, dan vervloeien ook de schaduwen van mijn vingers. Ik krijg er niet alleen een punthoofd van, maar ook ET-vingers en zwemvliezen.

Punthoofd.

Punthoofd.

Schaduwvervloeiing.

Schaduwvervloeiing tussen de schaduw van mijn vingers en de schaduw van de bovenkant van het raam.

In het sprookje van Andersen onderging de brave geleerde ook een metamorfose. Hij verarmde, vermagerde en werd uiteindelijk geëxecuteerd, terwijl zijn rijke, vadsige schaduw met een prinses kon huwen. Dan kom ik er met mijn punthoofd toch beter vanaf.

PS: Bij Wikisource kan je de Engelstalige versie van het sprookje integraal online lezen.

Alle tijd van de wereld

We hebben het zo druk dat we vergeten dat de universele standaardtijd een menselijk construct is. Met eenvoudige middelen kunnen we de afwijking tussen onze klok en de ware zonnetijd zichtbaar maken.

Deze column is eerder verschenen in het juni-nummer van Eos en op de Eos-website.

Als je een jaar lang elke dag om 12 uur de positie van de zon vastlegt, ontstaat uiteindelijk een achtfiguur. Dat patroon heet het analemma van de zon.. In de zomer komt de zon hoger boven de horizon dan in de winter: dat correspondeert met de hoogteverschillen in het analemma. Maar van waar komt de afwijking naar het oosten en het westen? Die is het gevolg van de zogeheten tijdsvereffening, die het verschil tussen de zonnetijd en de kloktijd aanduidt. Die ingreep voerden onze voorouders in toen ze merkten dat niet elke zonnedag even lang was.

De eerste analemma’s maakte men door de schaduw van een stok op een vast tijdstip te noteren. Later deden wetenschappers dat met meervoudig belichte foto’s. Tegenwoordig kan je digitale foto’s in elkaar voegen (zie foto hieronder voor een simulatie). Die hedendaagse analemma’s worden gretig gedeeld op sociale media (bijvoorbeeld hier).

Analemma.

Gesimuleerde fotomontage van een analemma in Duitsland. (Bron.)

De universele standaardtijd waarop we onze gsm’s, keukenklokjes en uiteindelijk onze levens gelijkzetten, is alomtegenwoordig. We hebben het er zo druk mee dat we gemakkelijk vergeten dat we die tijd zelf hebben geconstrueerd. Daardoor kan de variatie in de ware zonnetijd, die je met eenvoudige hulpmiddelen kan vaststellen, ons opnieuw verbazen.

Een zonnedag duurt gemiddeld 24 uur. Dat is de tijd die we in ons halfrond meten tussen de eerste keer dat de zon schijnbaar pal in het zuiden staat en de eerstvolgende keer dat we ze op die positie aantreffen. Anders gezegd: een zonnedag is de tijdspanne tussen twee momenten waarop een zonnewijzer 12 uur aangeeft.

Een zonnewijzer kan doorheen het jaar meer dan een kwartier voor- of achterlopen op de klok.

In de loop van een jaar kan de duur van een zonnedag tot wel 20 seconden variëren. De dagelijkse variaties cumuleren tot meer dan een kwartier verschil tussen klok en zonnewijzer. Om die afwijkingen vast te stellen, hebben we een externe standaard nodig. De Babyloniërs slaagden daarin door de ware zonnetijd te vergelijken met de sterrentijd, die ze nauwkeuriger konden aflezen dan hun waterklokken. Pas veel later werden de aardse middelen preciezer.

Met die standaarden kan je de variaties in de zonnetijd corrigeren en zo een minder veranderlijke tijdseenheid overhouden. Die tijdsvereffening leidt tot een middelbare tijd waarbij elke dag per definitie exact 24 uur duurt.

Intussen ontdekten wetenschappers ook wat het verschil veroorzaakt tussen de zonnetijd en die middelbare tijd. De eerste oorzaak is dat de baan van de aarde rond de zon niet perfect cirkelvormig is. (Washington Post publiceerde een verhelderende animatie die de elliptische aardbaan aan posities in het analemma relateert.) De tweede is dat de aardas niet loodrecht staat op het vlak waarin de aarde om de zon draait.

Naast waterklokken gebruikten mensen van oudsher kaarsen en zandlopers om tijdsintervallen te bepalen. Aan het einde van de 13de eeuw verscheen het eerste mechanische uurwerk, dat werkte via vallende gewichten. In de 16de eeuw maakte men een binnenwerk dat je kon opwinden met een veer. En in 1657 verkreeg Christiaan Huygens een patent op het slingeruurwerk. Isaac Newton roemde het als het eerste middel op aarde om de tijd op een voldoende uniforme manier af te tikken.

Aanvankelijk waren mechanische klokken prestigeobjecten, voorbehouden voor torens en chique salons, maar gaandeweg werden ze kleiner en betaalbaarder en zo verschenen ze in elk huishouden. Met een zakhorloge of polsuurwerk kon iemand veel meer afspraken op één dag plannen. Ten slotte volgde het eerste elektronische uurwerk: het kwartshorloge.

Al onze klokken worden nu, direct of indirect, gesynchroniseerd via een netwerk van atoomklokken. De huidige atoomklokken gebruiken de microgolfstraling van cesium-133-atomen, die een welbepaald aantal keren per seconde trillen. Sinds 1967 is de definitie van de seconde hier ook op gebaseerd. In het Observatorium van Parijs en enkele andere laboratoria onderzoeken wetenschappers ondertussen al weer andere atomen waarvan de straling dichter bij het zichtbare gebied ligt. Naar verwachting staan die optische klokken binnen enkele jaren voldoende op punt om er de universele standaardtijd en een aangescherpte definitie van de seconde op te baseren.

Onze tijdsmeting heeft al een hele weg afgelegd. Het begon met de schijnbare positie van de zon, de maan en de sterren:  relatief trage, maar regelmatige processen op grote schaal. Geleidelijk lukte het om de tijd af te meten met louter aardse middelen. Sinds vorige eeuw zoeken we die steeds grotere precisie in de kleine en snelle binnenwereld van atomen en in de verre toekomst misschien zelfs in de atoomkern. Of we daardoor ook meer tijd krijgen valt te betwijfelen.

PS: Analemma’s bepalen aan de hand van schaduwen is nog steeds een leuk experiment, bijvoorbeeld voor leerkrachten fysica: zie deze Engelstalige tekst van Robert E. Parkin. En wie op zoek is naar extra informatie met formules om de vorm van het analemma voor eender welke positie en tijdstip te bepalen verwijs ik naar deze Engelstalige tekst van Helmer Aslaksen en Shin Yeow Teo.

Donkere kamer

Als kind was ik bang in het donker. Het enige wat er nodig was geweest om mijn kinderangsten te verjagen was één lesje geometrische optica.

Deze column is eerder verschenen in het mei-nummer van Eos en op de Eos-website.

Omdat ik bang was in het donker, mocht de deur van mijn kinderkamer op een kier blijven. Meestal zorgde dat voor wat flauw, indirect licht. Maar als mijn vader of moeder het ganglicht aanknipte, zag ik op het plafond een heldere band. Ging mijn moeder nog wasgoed wegleggen, dan moest ze twee keer voorbij mijn deur. Eerst hoorde ik haar stappen van links naderen en in het terugkeren van rechts. Maar op het plafond zag ik haar schaduw eerst van rechts naar links voorbijkomen. Dat ben ik jarenlang zeer vreemd blijven vinden.

Onbewust interpreteerde ik de band licht als een spiegelbeeld van de deurkier. Telkens als iemand voorbijkwam terwijl ik nog wakker was, werd deze hypothese weerlegd. En omdat ik dat niet begreep vond ik het eng. Op de middelbare school leerde ik over de camera obscura als de essentie van elk fototoestel. Het licht wordt via een kleine opening vooraan omgekeerd op de achterwand geprojecteerd, waar zich een fotografische film of lichtgevoelige sensor bevindt. Aan mijn eigen donkere kamer dacht ik toen niet. Dat kwartje viel pas later.

Donkere Kamer.

De pagina van mijn column “Donkere Kamer” in Eos was toepasselijk vorm gegeven.

Het inzicht kwam toen ik in een schemerige hal naast een lift stond te wachten. Er was een glazen raam in de liftdeur en de kooi daalde af. De lichtstralen, afkomstig van een lamp bovenaan in de kooi, vormden eerst slechts een vlek op de vloer. Naarmate de lift zakte, konden ook minder steil naar beneden gerichte stralen via het raam ontsnappen en zo strekte de lichtvlek zich geleidelijk uit op de muur. De omkering tussen boven en onder deed me terugdenken aan die averechtse schaduwen op het plafond van mijn kamer.

Het enige wat er nodig was geweest om mijn kinderangsten te verjagen was één lesje geometrische optica: ‘Stel je voor dat het licht uit onvervormbare stralen bestaat.’ Geometrische optica is de oudste tak van de optica. Ze houdt geen rekening met golfachtige of deeltjesachtige eigenschappen van het licht. Volgens dit deelgebied kan je licht beschrijven als stralen die zich rechtlijnig voortplanten in de lucht of een ander uniform en transparant medium als water of glas. Het oppervlak van een transparant materiaal kan de lichtstralen deels reflecteren en deels doorlaten. Daarbij buigen ze af volgens de wet van Snellius. Een niet-transparant materiaal absorbeert de lichtstralen. Hoe en waarom dat gebeurt, valt al buiten deze tak van de optica.

De geometrische optica beschrijft ook wat er gebeurt als lichtstralen door een kleine opening gaan: de stralen gaan erdoorheen van boven naar onder en van links naar rechts. Het geprojecteerde beeld is dus een puntspiegeling. Dat principe kan je gebruiken als je een zonsverduistering zonder eclipsbril wil waarnemen. Prik een gaatje in een stuk karton, hou dat boven de grond en kijk dan naar de heldere vlek in de schaduw ervan. De projectie toont een puntspiegeling van de zon. Als de zon bijvoorbeeld onderaan rechts verduisterd is, dan zie je dit in de projectie bovenaan links.

Pinhole als veilige methode om een zonsverduistering te observeren.

Pinhole als veilige methode om een zonsverduistering te observeren. Foto bovenaan gemaakt in Retie tijdens de zonsverduistering van oktober 2005. Onderaan: detail.

Tijdens mijn onderzoek werkte ik met een confocale fluorescentiemicroscoop, die soortgelijke speldengaatjes of pinholes gebruikt om ongewenst strooilicht af te schermen en het gewenste signaal eruit te filteren. Buiten het lab gebruiken bijziende mensen dat principe spontaan als ze zonder bril in de verte moeten kijken. Ze knijpen hun ogen samen tot spleetjes en filteren zo de lichtstralen weg die hun ogen niet in focus krijgen. Als ik even mijn bril niet bij de hand heb en in de verte iets wil lezen, gebruik ik soms een kleine opening tussen mijn vingers als monocle. Het ziet er vreemd uit, maar het werkt wel.

Mijn kamerdeur op een kier werkte enkel in de smalle richting als een pinhole. Vandaar dus dat de schaduw van mijn moeder niet ondersteboven stond, maar wel vanuit de omgekeerde richting voorbijkwam. Als mijn zoon ooit vraagt om de deur op een kier te laten, zal ik hem eerst vertellen over die schaduwen. Niets obscuurs aan de hand, gewoon het principe van elke donkere kamer.

Wij eisen nuance

Aanstaande zaterdag neem ik deel aan de March for Science in Brussel. Het is dan 22 april, de internationale dag van de aarde, en dit jaar trekken wetenschappers die dag wereldwijd de straat op. In dit opiniestuk, eerder verschenen in Eos, verdedig ik waarom ik meedoe.

Poster.

De Brusselse March for Science begint om 14u op zaterdag 22 april 2017 op het Albertinaplein: dat is vlak aan het treinstation Brussel Centraal. Zie ik je daar?

‘De fundamentele oorzaak van de problemen is dat in de moderne wereld de dommeriken zeker zijn als haantjes terwijl de intelligenten vol twijfels zitten.’ Dat schreef Bertrand Russell in 1933 in zijn essay De triomf van de domheid, waarin hij de opkomst van de nazibeweging in Duitsland hekelde. Zijn vaststelling kan worden verklaard door het Dunning-Kruger-fenomeen: het vergt expertise om de beperkingen van de eigen expertise in te schatten. Net wie het minst afweet van een domein dreigt zijn of haar kennis ervan te overschatten.

Ik deel de wereld niet op in dommeriken en slimmeriken. Iedereen heeft neigingen tot lompheid, en iedereen heeft het vermogen tot reflectie. Toch blijft Russells observatie herkenbaar: met name wetenschappers zijn vaak terughoudend in het geven van commentaar. Als ze toch voor de microfoon komen, benadrukken ze dat verder onderzoek nodig is en dat ze niets met absolute zekerheid kunnen stellen. Ondertussen trachten anderen ons met de grootste stelligheid klinkklare onzin door de strot te duwen.

Desinformatie produceren vergt minder tijd en moeite dan het ontkrachten ervan. De Italiaanse informaticus Alberto Brandolini noemde dat het principe van de bullshit-asymmetrie. Dat deed hij op Twitter, nota bene een van de media waarin foute informatie zich het snelst verspreidt. Het medium ook waarvan Donald Trump zich bediende tijdens zijn presidentscampagne. Na zijn verkiezing riep het Britse Oxford Dictionaries ‘post-truth’ uit tot het woord van het jaar. Terecht, zo blijkt: sinds Trump president is, factchecken journalisten zich suf. Het is dweilen met de kraan open.

De dag na Trumps inauguratie hielden tegenstanders een mars in Washington DC. Ook in andere grote steden in de Verenigde Staten en in Europa vonden marsen plaats. De demonstranten eisten vooral aandacht voor vrouwenrechten. Algemener eisten ze gelijke rechten voor iedereen, ongeacht geaardheid, religie of afkomst. Daarvoor gebruikten ze de populaire slogan ‘Bouw bruggen, geen muren’.

Ook wetenschappers maken zich zorgen over Trumps beleid. De president van de VS negeert of ontkent de wetenschappelijke evidentie van klimaatverandering. Een stellingname die tegenstanders zullen bestrijden met een March for Science op 22 april, de internationale dag van de aarde. Ook in Brussel en Amsterdam vinden dan protestmarsen plaats.

De meningen over het initiatief zijn verdeeld. Tegenstanders zeggen dat de wetenschap los moet staan van de politiek, terwijl voorstanders vinden dat wetenschappers al veel te lang hebben gezwegen. Wetenschappers hebben nuance nodig in hun werk, dus lijkt het vreemd dat net zij zich achter slogans gaan scharen. Anderzijds is dat misschien nog het krachtigste signaal. Als zelfs wetenschappers protesteren, dan moet er wel iets grondig fout aan het lopen zijn.

Maak jezelf niets wijs: onderzoek dat volledig losstaat van de politieke en sociale context bestaat niet. De vraag is eerder hoe we het onderzoeksproces zo onafhankelijk mogelijk kunnen maken van andere belangen dan waarheidsvinding. Dat staat haaks op directe politieke inmenging in wat wetenschappers wel en niet mogen onderzoeken en wat ze daarover mogen communiceren. Vrij wetenschappelijk onderzoek is het waard om verdedigd te worden. Het is de beste manier die we hebben om meer te weten te komen over de wereld om ons heen. Die kennis is een doel op zich, maar ook een belangrijke basis bij het nemen van persoonlijke en politieke beslissingen. Een feitenvrij beleid is gevaarlijk en dom.

Nu er in de VS een president aan de macht is die lak heeft aan feiten moeten we in Europa een tandje bijsteken. Wetenschap is een project van de hele mensheid dat zich baseert op nieuwsgierigheid, kritisch denken en empirische toetsing. Slogans vervangen natuurlijk niet de daadwerkelijke actie: dagelijks spannen velen zich in voor onderzoek, onderwijs en wetenschapscommunicatie. Een mars kan oproepen daar blijvend in te investeren en kan aantonen dat we waakzaam zijn op inperkingen ervan.

Grote massa’s zijn moeilijk te bestieren en ik meng me er liever niet in. Toch denk ik vandaag aan iets wat Carrie Fisher, de vorig jaar overleden schrijfster en Star Wars-actrice, ooit zei: ‘Stay afraid, but do it anyway’. Ja, ik ben bang om te betogen, maar dan moet het maar zo. Zie ik je daar?

Poster.

Mijn poster voor de March for Science.

A squirrel in the tree of knowledge

Vorige week kreeg ik bericht dat ik The Listserve gewonnen had. Dat is een e-mail-loterij, waarbij er elke dag één persoon geselecteerd wordt, die dan een bericht mag sturen aan de rest (momenteel +21 duizend adressen). Aangezien de e-mail wereldwijd bezorgd wordt, schreef ik mijn bericht in het Engels. Eerder deze week werd het verstuurd.

This message was e-mailed to more than 21 thousand addressees subscribed to The Listserve on April 11th.

Dear fellow Listservian,

My name is Sylvia and I’m a philosopher of science.

One of my favourite quotes about science comes from Albert Einstein: “[A]ll our science, measured against reality, is primitive and childlike – and yet it is the most precious thing we have.”

When I try to communicate what science is, I like to use the following metaphor.

Science is like a living tree. In the trunk we find theories that have survived all previous seasons and each pruning: they have been corroborated by lots of evidence and independent tests; they receive a probability extremely close to 100%. The branches are younger, less well confirmed, but highly probable still. The twigs are relatively young and many of them will have to be pruned during the following seasons: they will be falsified by further evidence, or simply rendered much less probable than a competing branch. Most twigs will never turn into the wood that textbooks are made of. But it’s impossible to predict which are the ones that will make it: we can only observe how the tree develops and prune redundancies when time comes. The multitudes of individual articles that appear, day in day out, form the leaves: all of them will fall off, fertilizing the soil and feeding the roots of the tree of science. Though short-lived and less probable than other structures, they are vital to provide energy for the rest of the tree.
The tree flourishes best when other organisms live among its roots: curiosity and a thirst for cures and practical solutions. But most of all, the tree needs water: money for science comes from the environment. There are many external influences on the tree. Society is like the weather: when it’s sunny with soft rains of Spring, the tree will prosper, but when it becomes stormy, entire branches may break off and when there is no rain, the tree withers.
Never mistake the rustling of the leaves for science: it’s ephemeral. Nor mistake the trunk for science: without roots and leaves, the wood is dead. More than anything else, science is an ongoing process, deeply entwined with its surroundings. Science is the living of the tree.

I’m pretty sure that I didn’t invent this metaphor – after all, the ‘tree of knowledge’ is even a biblical motif. I may have read it somewhere specifically applied to science, but if so I’ve forgotten the source. (Please tell me if you remember reading a similar presentation!)

It sure looks like the tree of science has some stormy weather ahead. We’ve all rested in its shade and enjoyed its fruits, but are we willing to defend it? If so, you might consider joining the “”March for Science”” on April 22nd.

As a philosopher of science, I often feel like a red squirrel frolicking in its crown, but also defensive of my habitat. That’s why I will join the Belgian sister march in Brussels.

My twitter handle is SylviaFysica.

Have a nice day!

Sylvia Wenmackers
Belgium

Tekenen met water

Waarom worden natte dingen donker?” Die vraag stelde een 6-jarige op ikhebeenvraag.be. Het antwoord staat in een Eos-column die ik vorig jaar schreef, maar die ik nog niet online geplaatst had. Tijd om dat te veranderen!

Kasseien.

Welke kasseien zijn droog en welke nat? Dat zie je meteen, maar hoe komt dat eigenlijk?

Deze column is in licht gewijzigde vorm verschenen in het zomernummer van Eos (2016).

We zitten op een terras aan de kust en ik bestel een glas water. Saai, vind je? Dan serveer ik je een raadsel erbij. Het water en het ijsblokje zijn transparant. Het schuim van de branding en de wolken erboven zijn wit, terwijl die toch ook uit water bestaan. Hoe kan dat?

Het verschil zit in de vorm: bij het glas water en het ijsblokje zijn de oppervlakken ook op kleine schaal vlak. Hierdoor zien we zowel spiegeling als transparantie optreden. Bij schuim en wolken is het oppervlak onregelmatig: hierdoor wordt het licht in alle richtingen weerkaatst en zien we geen afgelijnd spiegelbeeld, maar slechts een witte waas. Natuurkundigen noemen dat ‘diffuse reflectie’.

Met het onderscheid tussen spiegelreflectie aan gladde oppervlakken en diffuse reflectie aan ruwe oppervlakken kunnen we een heel scala aan alledaagse waarnemingen begrijpen. Om te beginnen verklaart het hoe uit zand, dat korrelig en wit is, vlakglas gemaakt kan worden, waar we doorheen kunnen kijken of waar we ons in kunnen spiegelen. Als glaswerk door intensief gebruik ruw wordt, wordt het opnieuw wit en mat. Maar er is meer.

Als we ongekleurd katoen of papier onder vergroting bekijken, dan blijkt dat de individuele vezels transparant zijn. Door diffuse reflectie aan het ruwe oppervlak zien we een vel papier of een katoenen doek echter als wit. Tenzij we het nat maken, dan worden papier en katoen alsnog transparant.

Denk maar aan een keukenhanddoek: die vertoont heldere vlekken als we hem na gebruik tegen het licht houden. Daar schreef ik al over naar aanleiding van de natte-theedoek-vraag bij de Nationale Wetenschapsquiz 2011. Ook onderstaande iconische scène uit Dirty Dancing, waarbij Baby de lift oefent in een meer, dankt haar populariteit deels aan het fenomeen dat wit textiel doorzichtiger wordt als het nat is. En iedereen die al eens een doordrenkte krant uit de brievenbus heeft gehaald weet dat je het binnenlandse nieuws dan door de voorpagina heen ziet schemeren.

LakeScene.

Een iconische scène uit de jaren tachtig.

We zijn hier zo vertrouwd mee, dat je je wellicht nog niet had afgevraagd hoe dat mogelijk is. Welnu, het water vult de holtes tussen de vezels op: er ontstaat een gladder buitenoppervlak, waardoor er minder diffuse reflectie is en zo wordt het natte materiaal beter transparant voor licht.

Bovendien is de brekingsindex van water hoger dan die van lucht en dichter bij die van papier- of katoenvezels. En met olie is het effect sterker, omdat de brekingsindex nog beter aansluit. Denk maar aan de vetvlekken op het papier rond een pak frieten: de vlekken lijken donker zolang het papier op tafel ligt, maar zodra je het naar het licht houdt, zie je dat het eigenlijk transparante stukken zijn. (De vlekken lijken alleen maar donker zolang het onder het papier donker is.)

Nu weet je meteen waarom regen donkere vlekken maakt op stenen of op zand (evenals blauwe jeans en schoenen, zoals op een foto bij mijn vorige bericht): het water vult de holtes in de ruwe bovenkant grotendeels op en dan werkt het natte oppervlak als een spiegel. Een spiegel is donker, tenzij je net onder de juiste hoek naar een lichtbron kijkt. (Dit wordt ook prima uitgelegd met een plaatje in deze fotostrip van Ype & Ionica.) Dat maakt het zo moeilijk om ’s nachts over een nat wegdek te rijden: er is minder diffuse reflectie dan op een droge weg, waardoor er van je eigen koplampen minder licht terug jouw richting uitkomt. Maar er is meer spiegelreflectie, waardoor je niet alleen de koplampen van de tegenliggers ziet, maar ook nog eens de weerspiegeling ervan.

Ruwheid.

Hier is de effect van de ruwheid van het oppervlak duidelijk zichtbaar. Op kleinere schaal speelt een soortgelijk effecten. Ook zie je dat het natte oppervlak grotendeels donkerder is, maar ook beter spiegelt (en lokaal dus juist veel helderder is).

Als afleiding voor ons zoontje hebben we een speelgoedmat meegenomen naar het terras, waarop hij kan tekenen met water. Waar de mat nat is, wordt hij tijdelijk blauw. Als we het matje naar de zon houden, dan zien we dat achter de witte bovenlaag een blauwe laag klaar zit. Aanvankelijk dacht ik dat de toplaag van het tekenmatje uit textielvezels bestond, maar volgens het patent gaat het om een “hydrochromatische inkt”, die transparant wordt bij contact met water. (En de uitleg die erbij gegeven wordt, verwijst opnieuw expliciet naar ruwheid: in droge toestand is het inktoppervlak ruwer.) Behalve voor speelgoed wordt dit soort inkt ook gebruikt om paraplu’s te maken die tijdelijk kleurrijker worden als het regent en om het waterniveau in transparante containers beter zichtbaar te maken.

Dit effect kan ook bereikt worden met een dubbele laag stof. Mijn zomertip voor in de tuin of op kamp is dan ook: leg een gekleurd dekzeil op de grond met een dun, wit laken erover. Daarop kan je tekenen met water in het groot!

AquaDoodle.

Ik hield de AquaDoodle eens tegen het licht (onder). Volgens mij heb je er geen hydrochromatische inkt voor nodig: een plastic zeil met een dunne witte doek erover zou moeten volstaan. Ook op kasseien kan je trouwens prima tekenen met water: de regen doet het elke keer!

PS: Ik krijg wel eens de vraag waar ik de inspiratie vandaan haal voor mijn columns. In dit geval zat een waterlek in de kelder er voor iets tussen. Het water dagelijks opsoppen gaf me genoeg gelegenheid om het effect van dichtbij te bekijken en de emmers vervolgens naar buiten dragen ook om over ruwheid en weerspiegeling na te denken.

Kelder.

Het detail om het effect van ruwheid op reflectie te illustreren maakte ik in onze kelder, waar vorig jaar een lek was.

Beroepsmisvorming op regenboogdag

Vandaag is het weer Find-a-rainbow-day en dat leek me goede aanleiding om een interview te delen dat vorige maand verscheen in de Campuskrant van de KU Leuven. De titel was namelijk “Alle kleuren van de regenboog“. Het interview werd afgenomen door Ilse Frederickx en het verscheen in de rubriek “Beroepsmisvorming”. Op mijn blog heb ik de tag beroepsmisvorming al vaak gebruikt en er was dus gespreksstof genoeg. Heel wat van de voorbeelden hadden te maken met optische fenomenen.

Ter illustratie deel ik hier enkele foto’s van optische fenomenen die zich tijdens gewone werkweken op het geheugenkaartje van mijn fototoestel ophoopten. Het gaat vooral om foto’s die ik maakte tijdens het eerste semester (herfst/winter), vandaar dus heel wat foto’s tijdens of na zonsondergang.

Beroepsmisvorming.

Beroepsmisvorming. Links boven: “Your rainbow is under construction”. Rechts boven: groene avondlucht met blauwe wolken na een college op de campus in Heverlee. Links onder: licht en schaduw op de voorruit van mijn auto na aankomst met de trein. Rechts onder: lichtstrepen op de voorruit (mede veroorzaakt door de combinatie van strooizout en een versleten ruitenwisser).

Op vakantie heb ik meer tijd om foto’s te maken en de onderwerpen ook uit te zoeken. Tijdens het interview herinnerde Ilse me aan de foto’s van de Romereis – zelf was ik die alweer een beetje vergeten. Gelukkig fungeert mijn blog prima als extern geheugen. ;-)

In het interview vertelde ik ook over een foto die ik had proberen te maken van een fonteinboog. Helaas paste die niet in beeld, dus de natte schoenen waren tevergeefs.

Fonteinboog.

De fonteinboog is steeds gecentreerd rond de schaduw van de lens.

NatteSchoen.

Natte schoenen zijn grotendeels donkerder dan droge, maar blinken lokaal meer: ook dat is optica.

Ook deze dingen kwamen kort ter sprake:

Geheel vergeten te vermelden: mijn fascinatie voor interferentiekleuren in pastaketels.

Kleurboek over kleuren

Aan het einde van het interview staat mijn plan om ooit een kleurboek over kleuren te maken. Er staat bij dat de inspiratie zou komen van “de hype rond kleurboeken voor volwassenen”, maar dat is niet helemaal juist: het idee is al veel ouder en de oorspronkelijke inspiratie komt van een boek dat we vroeger thuis hadden, waarbij een aantal wetenschappelijke concepten werden toegelicht met een korte, gedegen uitleg en een kleurplaat (in te kleuren volgens de opgegeven nummers). Met de hype dacht ik natuurlijk wel: ‘Nee, nu heb ik de boot gemist!’ En eerlijk gezegd vrees ik dat het er nooit van gaat komen, tenzij ik iemand vind om dit samen mee te doen. Dus als je hieraan wil meewerken: laat me zeker iets weten! :-)

Maak kennis met: Vieri Benci

Een leerling van een middelbare school vroeg me of ik haar wat meer informatie kon bezorgen over Vieri Benci. Samen met twee andere leerlingen maakt ze namelijk een opdracht (‘onderzoekscompetentie’) over het oneindige. Fantastisch onderwerp, natuurlijk, en de voorlopige versie die bij de e-mail zat zag er ook al heel goed uit.

Via haar leerkracht waren ze op mijn blog terechtgekomen en daar lazen ze over Benci (hier en in dit filmpje), maar ze konden online weinig informatie over hem vinden, zeker niet in het Nederlands. (Zijn eigen website is grotendeels in het Italiaans.) In de taak waren er al stukjes over Galileo en Cantor opgenomen, maar de biografische informatie over Benci ontbrak nog. Door haar vraag besefte ik dat Vieri Benci nog geen Wikipedia-pagina heeft. Dat is jammer. Het zou fijn zijn als de eerste pagina over hem niet in het Italiaans of het Engels maar in het Nederlands zou zijn. Ja, dit is een oproep. ;-) Daarom deel ik hier de informatie die ik haar stuurde.

~

Professor Vieri Benci is een Italiaanse wiskundige die gespecialiseerd is in partiële differentiaalvergelijkingen. Zijn meest geciteerde artikels gaan over die tak van de wiskunde. Hij werkte bijvoorbeeld over vergelijkingen waarvan de oplossingen solitonen zijn. Zijn academische CV in het Engels vind je hier.

Hij is geboren en opgegroeid in Firenze en heeft wiskunde gestudeerd in Pisa. Hij studeerde af als ‘laurea’ in 1972. Vanaf dat moment mocht hij zich ‘doctor in de wiskunde’ noemen. (Op dat moment was er in Italië nog geen echte doctoraatsopleiding zoals wij die kennen: dat werd pas meer dan tien jaar later ingevoerd.) Vervolgens heeft hij in Parijs en in de Verenigde Staten gewerkt (aan drie verschillende universiteiten) en in die periode heeft hij zijn Amerikaanse vrouw leren kennen. Ze verhuisde met hem mee naar Italië (eerst Bari, dan Pisa) en ze kregen twee zonen, die inmiddels volwassen zijn. Vieri en zijn vrouw wonen en werken in Pisa: zij is lerares Engels en, ja, Vieri spreekt ook zeer goed Engels. Sinds 1984 is hij professor in het wiskunde-departement in Pisa. Hij heeft de graad van gewoon hoogleraar: dat is de hoogste academische graad.

In 1995 presenteerde hij op een congres over een nieuw idee om oneindige verzamelingen te ‘tellen’. Dit publiceerde hij in de ‘proceedings’ van dat congres in het Italiaans. Hij was op dat moment een ervaren wiskundige en is dus een levend tegenvoorbeeld van de stelling dat enkel jonge wiskundigen vernieuwende ideeën kunnen hebben! Dat idee heeft hij later uitgewerkt met Mauro Di Nasso in een Engelstalig artikel. Daarna heeft hij er nog verder over gewerkt. Paolo Mancosu schreef er een overzichtsartikel over en dat heb ik toevallig gevonden toen ik aan een doctoraat bezig was over een alternatieve theorie voor waarschijnlijkheidsrekening. Daarna ben ik de artikels van Vieri Benci zelf gaan lezen en heb ik hem een keer ontmoet toen hij in Brussel was voor een congres. We zaten meteen op dezelfde golflengte en sindsdien hebben we (samen met nog een derde collega) twee artikels gepubliceerd.

Vooraf gingen we op bezoek op de afdeling waar Vieri werkt. Daar is goed zichtbaar dat het economisch niet zo goed gaat in Italië: er staan veel kantoren leeg, dus er zijn niet zo veel jonge doctoraatsstudenten als in een vergelijkbaar departement in België bijvoorbeeld. Er werken wel zeer goede wiskundigen. Vieri werkt vooral samen met twee lokale specialisten in de logica (Mauro Di Nasso en Marco Forti) en met voormalige doctoraatsstudenten.

Vieri is ook erg geïnteresseerd in geschiedenis van de wiskunde en wetenschapsfilosofie. Over dat laatste schreef hij samen met Paolo Freguglia een boek, dat enkel in het Italiaans verschenen is (“Modelli e realtà. Una riflessione sulle nozioni di spazio e tempo“). Hij heeft circa 175 onderzoeksartikels over wiskunde geschreven en is nog steeds actief: vorige maand heeft hij me nog een nieuw artikel bezorgd om na te lezen. Over zijn alternatieve theorie om het oneindige te tellen staat er een Engelstalig boek gepland, dat hij samen met Mauro Di Nasso aan het schrijven is.

Doorbraakcircus

Deze toost op minder doorbraken en meer openheid in de wetenschap
verscheen in licht gewijzigde vorm in het maartnummer van Eos.

“Naar welke wetenschappelijke doorbraak kijk jij dit jaar uit?” Dat vroeg iemand me op een receptie. Een open vraag over een onderwerp dat me nauw aan het hart ligt: een mens kan het slechter treffen bij dit soort gelegenheden. En toch. Terwijl ik het net aangehapte toastje wegslikte, stelde ik in gedachten deze wedervraag: zijn er al niet te veel doorbraken geclaimd en mag het even iets kalmer, alstublieft? Een slok fruitsap gaf me net genoeg extra bedenktijd om een feestelijker antwoord te formuleren. Ik vertelde kort over een aantal problemen in de hedendaagse wetenschap, maar ook dat ik optimistisch ben over hoe onderzoekers verandering brengen in hun eigen praktijk en die van hun collega’s.

  • Ten eerste groeit het besef dat er veel meer replicatie-onderzoek nodig is. Alvorens een artikel gepubliceerd mag worden in een wetenschappelijk tijdschrift wordt eerst een beoordeling gevraagd aan andere experten uit het vakgebied. Dit systeem van peer review beperkt zich meestal tot het controleren van de tekst en eventueel enkele berekeningen. Wat er momenteel ontbreekt zijn systematische pogingen om de resultaten van andere onderzoekers te herhalen. Zo’n replicatiestudie levert geen doorbraken op, maar hooguit versterking of afzwakking van eerder gemaakte claims. Spannend klinkt het misschien niet en mede daardoor is deze belangrijke pijler van de wetenschap lange tijd verwaarloosd: relatief weinig wetenschappers voeren dergelijke studies uit en als ze dat wel doen, blijkt het moeilijker om hun resultaten te publiceren. Gelukkig is er nu een kentering op gang aan het komen. De Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek  (NWO) heeft bijvoorbeeld voor het eerst fondsen beschikbaar gemaakt specifiek voor replicatieonderzoek. (Zie deze link.) Het zou mooi zijn als de Vlaamse tegenhanger, het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO), dit voorbeeld volgt.
  • Ten tweede is er een groeiende groep onderzoekers die meer openheid van wetenschappelijke gegevens vraagt. Via internet is het mogelijk om naast de beknopte onderzoekartikels ook grote bestanden te delen: denk aan ruwe data, gebruikte computercodes en andere gegevens. Het delen van die bijkomende bestanden komt zowel de controle voorafgaand aan publicatie als de replicatiestudies achteraf ten goede. Toch worden deze gegevens tot nu toe meestal niet vrijgegeven. Een concreet en actueel voorstel om dit te veranderen is het Peer Review Openness (PRO) Initiative: er zijn al meer dan 350  wetenschappers die op opennessinitiative.org beloofd hebben dat ze vanaf nu  zullen weigeren om ingezonden artikels te beoordelen voordat de auteurs essentiële gegevens beschikbaar hebben gemaakt (of overtuigend gemotiveerd hebben waarom dit niet wenselijk zou zijn).*
  • Ten derde is er de roep voor vrije toegang tot wetenschappelijke publicaties. Die artikels gaan over onderzoek dat uitgevoerd is met behulp van publieke middelen (belastinggeld dus), terwijl de winsten tot nog toe grotendeels worden opgestreken door commerciële uitgeverijen (zoals Elsevier, Wiley en Springer). Hier zijn er al langer acties en onderhandelingen over bezig, maar ik verwacht dit jaar nog verdere stappen. Opnieuw in Nederland werden onlangs voor het eerst de bedragen die universiteiten aan deze uitgeverijen betalen openbaar gemaakt door de vereniging van universiteiten (VSNU). Die stap was niet evident, aangezien de afgesloten contracten een geheimhoudingsclausule bevatten. In Vlaanderen is die openheid er voorlopig niet, maar de ontevredenheid wél. Professor Andreas De Block, vice-decaan onderzoek aan het Instituut voor Wijsbegeerte van de KU Leuven, liet eind vorig jaar in De Standaard optekenen: “Geldwolven zijn het, die tot vijf keer langs de kassa passeren.” Het is dus spannend afwachten of ook de Vlaamse universiteiten samen zullen spannen om deze woekercontracten openbaar te maken en zo misschien betere voorwaarden te onderhandelen.

Kortom, ik hoop dat we in de komende tijd wat minder zogenaamde doorbraken zullen zien en meer consolidering en, waar nodig, nuancering of ontkrachting van eerdere conclusies. Dan werkt wetenschap namelijk op haar best. Uit de geschiedenis blijkt dat wetenschap een cumulatief en zelfcorrigerend proces is. Ook nu vinden haar beoefenaars vast manieren om de nieuwe problemen te overstijgen. Maatregelen om het doorbraak- en publicatiecircus een halt toe te roepen en in alle rust verder te zoeken naar nieuwe invalshoeken om het onbekende te behappen. Kijk, daar wil ik best op toosten.

~

*: Kort nadat ik mijn column had ingestuurd, raakte bekend dat Professor Gert Storms (psycholoog aan de KU Leuven) gevraagd was om af te treden als editor bij een wetenschappelijk tijdschrift, omdat hij zijn belofte aan het PRO Initiative ook wilde doorvoeren bij referee-opdrachten. Het bericht staat nu ook op de website van Nature, wat hopelijk zal helpen om het initiatief meer bekendheid te geven.