Tag Archief: aardrijkskunde

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.

Benadert wetenschap de waarheid?

Flammarion.Gisteren kwamen er ongeveer vijftig leerlingen naar het Hoger Instituut voor Wijsbegeerte. Samen met collega Jan Heylen verzorgde ik voor hen een sessie voor de Vlaamse Wetenschapsweek. We behandelden een vraag uit de wetenschapsfilosofie: “Benadert wetenschap de waarheid?”

Dit is een korte beschrijving van de inhoud:

Vroeger dacht men dat de aarde plat was. Vervolgens dacht men de aarde bolvormig was. Telkens was men fout. Waarom zou men dan geloven dat de huidige wetenschappelijke hypotheses waar zijn?* Als antwoord op deze vraag schreef biochemicus en SF-auteur Isaac Asimov ‘The Relativity of Wrong’. Hierin stelt hij dat wetenschappelijke opvattingen in het verleden weliswaar vaak verkeerd waren, maar ze benaderden wel steeds beter de waarheid. Hij illustreert zijn stelling onder meer aan de hand van verschillende hypotheses over de vorm van de aarde. Zijn antwoord is bovendien representatief voor de mening van vele wetenschappers (evenals een deel van de wetenschapsfilosofen**).

In deze les gaan we nader in op de vraag of wetenschap de waarheid benadert. We bekijken verschillende historische voorbeelden en daarbij gaan we na of de stelling van Asimov daarop telkens van toepassing is. Ook zullen we de theorie van Karl Popper, één van de belangrijkste wetenschapsfilosofen, over waarheidsbenadering uitleggen en nagaan of de stelling van Asimov in overeenstemming is met die theorie.

De slides van mijn deel – over Asimov, natuurlijk ;) – en de oefeningen staan nu ook online.

*: De achterliggende redenering wordt pessimistische meta-inductie genoemd.

**: De wetenschappelijke realisten.

Wiskunde van planeet Aarde (Zomerschool in Triëste)

Mathematics of Planet Earth.Wiskundigen hebben 2013 uitgeroepen tot het jaar van “wiskunde van planeet Aarde” (website). Over dit thema zal er in Italië een zomerschool gehouden worden. Je kunt je hiervoor aanmelden tot 15 februari 2013.

De zomerschool wordt georganiseerd door de vereniging voor Europese vrouwen in de wiskunde (EWM). Alle wiskundigen zijn welkom: daar hoef je vrouw, noch Europeaan voor te zijn! Zelf was ik aanwezig op hun vorige zomerschool, die toen in Leiden plaatsvond. Als Europese vrouw maar niet-wiskundige was ik er alsnog een buitenbeentje. :-) Mijn blog was toen nog nieuw en ik deed dan ook uitgebreid verslag (hier, hier, hier en hier).

Toegegeven: op voorhand had ik mijn twijfels over het concept. Zo’n congres met een meerderheid aan vrouwen, wat is daar de meerwaarde van? Toch ben ik tijdens die week anders gaan denken over het thema diversiteit in de exacte wetenschappen. Bovendien heb ik er ook heel interessante tutorials gevolgd. Als je zelf onderzoek doet naar een onderwerp dat aansluit bij het huidige thema rond wiskunde (of wiskundige fysica) van planeet Aarde (denk bijvoorbeeld aan dynamische systemen en niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen), kan ik je dus enkel aanraden om deel te nemen.

De zomerschool zal plaatsvinden in Triëst (in het noordoosten van Italië, in de buurt van Venetië). Meer bepaald in Miramare aan het ICTP, of voluit: Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam. Het centrum heeft budgetten om onderzoekers uit ontwikkelingslanden te helpen om de daar georganiseerde symposia bij te wonen. Op die manier kan de zomerschool dus ook een heel divers publiek bereiken. In 2009 verbleef ik zelf een week aan het centrum samen met Danny. Terwijl Danny er lezingen volgde en een poster presenteerde op het congres over computationele fysica, werkte ik er rustig verder aan mijn bureau met zicht op zee. Het was toen januari en bitter koud, dus voor de komende zomerschool eind mei zal het er vast nog mooier zijn.

Internationaal Centrum voor Theoretische Fysica in Miramare.

In 2009 verbleef ik met Danny in het Internationaal Centrum voor Theoretische Fysica (ICTP) in Miramare. Van aan mijn bureau had ik dit uitzicht op de Adriatische Zee.

Aanvulling (3 februari 2013):

Het ICTP is opgericht door Abdus Salam, een theoretisch fysicus uit Pakistan die in 1979 de Nobelprijs Natuurkunde deelde met Sheldon Glashow en Steven Weinberg voor hun werk in de deeltjesfysica. Hoewel Salam daarmee de eerste Pakistaanse fysicus was die deze eer te beurt viel, was zijn geboorteland verre van opgetogen en dit omdat hij tot een religieuze minderheid behoorde.

Over het leven van Abdus Salam wordt momenteel een documentaire gemaakt. De makers zijn nog op zoek naar fondsen voor de postproductie; ze mikken op 150 000 dollar. Ze hebben alvast een voorsmaakje online geplaatst op Vimeo:

Waarom draait de wereld?

Als het in Europa al nacht is, is het in Amerika nog dag.Vorige week was ik in Tilburg voor een tweedaags congres ‘Formal Epistemology Meets Experimental Philosophy‘ (FEMEP). Het was erg interessant, maar in mijn zoektocht naar inspiratie voor een blogpost bleek de reis de bestemming. Ik ging naar Tilburg met de trein. In België hebben we voorlopig enkel de Metro (weliswaar in het Nederlands en het Frans), maar in Nederland hebben ze meerdere gratis kranten voor spoorreizigers. Zo blader ik er wel eens door Metronieuws, Spits, of De Pers. Al deze dagbladen brengen voor een groot deel dezelfde korte berichten en roddels. Onder het mom van “wetenschapsnieuws” plaatsen ook veel betalende kranten flitsberichten over curcieuze onderzoekjes zoals: de invloed van de kleur van het middageten op nachtmerries. (Oké, dit voorbeeld heb ik verzonnen, maar je weet vast over welk soort nieuwtjes ik het heb!)

Vorige week was er weer zo’n nieuwtje: het blijkt slecht te gaan met de biologiekennis van Nederlandse basisschoolleerlingen. Ook de andere kranten brachten dit nieuws, maar journaliste Puck Roest van Metronieuws besloot het bericht te illustreren met vijf voorbeeldvragen en ons meteen het juiste antwoord mee te geven. Het verspreiden van wetenschappelijke kennis, al is die van basisschoolniveau, is een mooie zaak. Leuk idee, dacht ik nog, tot ik het stukje las…

De eerste vraag was: “Waarom verliest een boom zijn bladeren in de herfst?” Oei, meteen een waarom-vraag. Die kunnen best pittig zijn, al hangt het er natuurlijk van af wat voor antwoord je verwacht. Met deze woordvolgorde – die de nadruk lijkt te vestigen op ‘in de herfst’ – ben ik geneigd een flauw antwoord te geven: omdat als bomen in de zomer hun bladeren zouden verliezen, ze te weinig zonneënergie krijgen en sterven. Dit flauwe antwoord kun je echter tot een wetenschappelijk antwoord uitbouwen. Vanuit evolutionair oogpunt kun je je verschillende voorlopers van de moderne loofboom voorstellen met verschillende aanleg tot bladval. De exemplaren die hun blaadjes in de winter vasthielden vroren dood, de exemplaren die in de zomer hun blaadjes lieten vallen zijn ook uitgestorven, … Enkel de best aangepaste loofboomsoorten zijn blijven bestaan.

Om het ‘waarom’ te snappen, moet je eigenlijk ook het ‘hoe’ weten. Maar welke processen in de boom ervoor zorgen dat de blaadjes vallen, weet ik zelf helemaal niet. Snel het antwoord lezen dus. Metronieuws houdt het erbij dat de boom zo verhindert dat er in de winter water en voedingsstoffen verdampen via de bladeren. Dit is ook het juiste antwoord volgens deze clip van SchoolTV. Nu vind ik het best bizar om een waarom-vraag met een doeloorzaak te beantwoorden, maar teleologische verklaringen schijnen moeilijk te vermijden te zijn in de biologie. En als die kinderen nog niet rijp zijn om de nuances van evolutie te begrijpen, is dat misschien een pedagogisch verantwoorde aanpak.

Ik heb een trauma opgelopen aan waarom-vragen. Ik zat nog op de lagere school toen ik een stukje heb gelezen dat ging over een paard dat een kar trekt en telkens dieper inging op hoe dit mogelijk is. Het begon met de uitvinding van het wiel en uiteindelijk kwam het uit bij de zon, die de gewassen doet groeien, die het paard de energie geven om de kar te trekken. De moraal van het verhaal was dat je niet te snel moet denken dat je begrijpt waarom iets gebeurt. Deze conclusie maakte een verpletterende indruk op mijn kinderzieltje en het is best mogelijk dat ik hier nog steeds niet volledig van ben bekomen.

Hup, tweede vraag: “Waarom is een spin geen insect?” Ik weet wel dat een spin twee pootjes meer heeft dan een insect, maar ook hier vind ik een ‘waarom’-vraag niet helemaal gepast. Ik zou de vraag herformuleren als: “Wat is het verschil tussen spinnen en insecten?” De categorie ‘insect’ is door mensen gemaakt en zegt eigenlijk weinig over de aard van de diertjes zelf. Er zijn trouwens ook classificaties waartoe zowel insecten als spinnen behoren: geleedpotigen, bijvoorbeeld. Sommige oude classificaties blijken bij verder genetisch onderzoek trouwens onterecht.

Zo ziet een spin er aan de onderkant uit.

Zo ziet een spin er aan de onderkant uit. Een spin heeft acht poten, in tegenstelling tot insecten die er maar zes hebben.

De echte schok kwam bij vraag vier: “Waarom is het ’s nachts donker en overdag licht?” Volgens de krant is het antwoord: “Omdat de aarde om de zon heen draait.” Dit heeft er echter niets mee te maken! De aarde draait wel om de zon, maar dat duurt een jaar en het is elke nacht donker. Het verschil in dag en nacht ontstaat natuurlijk doordat de aarde elke 24 uur om haar eigen as draait.

Op terugweg uit Tilburg, een dag later, bladerde ik weer door de kranten. Gelukkig is het met de wetenschappelijke kennis van sommige lezers nog niet zo slecht gesteld: er stond een lezersbrief in Metronieuws die netjes het juiste antwoord op de dag-en-nacht uitlegde. Deze lezer vroeg zich ook af wat die vraag eigenlijk met biologie te maken heeft…

Ook GeenStijl maakt zich vrolijk over de misser. Ze linken naar dit vrolijke filmpje van SchoolTV dat het fenomeen van dag en nacht precies uitlegt op basisschoolniveau.

O ja, het antwoord op de vraag in de titel van dit stukje is: om haar as. ;-)