Tag Archief: fysica

Over diamantvormige druppels

Dit bericht gaat over een foto van een diamantvormige waterdruppel. Ludo Rutten, die blogt op Muggenbeet, observeerde de druppel in het hart van het blad van een lupine. Hij stelt er zich volgende vragen bij:

“Hoe komt het dat die druppel niet wegvloeit? In het blad zijn nochtans spleten genoeg om langs weg te sijpelen. Zouden die haartjes het water afstoten? Ook gek is dat die druppel de kromming van het blad niet volgt maar gebogen staat. Heeft dit te maken met de cohesieve kracht? En ik vraag me af: is dat allemaal opgevangen water of is hier ook sprake van guttatie zoals je dat vaak ziet bij vrouwenmantel?”

In de commentaren lees ik dingen over oppervlaktespanning en cohesie, maar ook over centripetale krachten (en dat die krommingen in de richting van het middelpunt zouden veroorzaken). Over de rol van die haartjes lees ik er echter niks. (Evenmin over de vraag of lupines ook aan guttatie doen, maar daar ga ik mij ook niet aan wagen.) Een leuke uitdaging!

Foto van waterdruppel op lupine door Muggenbeet.

Deze foto was de inspiratie voor dit blogbericht. Met toestemming overgenomen van Muggenbeet (link).

“Zouden die haartjes het water afstoten?” Mij lijkt het dat de foto juist suggereert dat zij het water aantrekken! Maar laten we bij het begin beginnen.

Op de foto zie je het resultaat van een samenspel van interacties tussen drie materialen: het water, de plant en de lucht (die zelf natuurlijk niet zichtbaar is). Wat betreft de plant is niet alleen de samenstelling belangrijk (met name de waterafstotende, wasachtige laag op de bladeren – terecht opgemerkt door Fruitberg), maar ook de vorm ervan (die haartjes of trichoom dus). De volledige uitleg werd hierdoor wat te lang voor een reactie. (Vandaar dit bericht.)

Waterdruppel op het blad van een lupine.Wanneer je verschillende stoffen met elkaar in contact brengt, ontstaat er een contactspanning (een netto-effect van de elektrische aantrekking tussen de moleculen in die stoffen, veroorzaakt door interacties van permanente en/of tijdelijke dipolen). Afhankelijk van de combinatie van stoffen kan de contactspanning laag of hoog zijn. Als het om twee vloeistoffen gaat zorgt een lage contactspanning ervoor dat de stoffen gemakkelijk mengen (bv. water en inkt), terwijl een hoge contactspanning ervoor zorgt dat ze spontaan ontmengen (bv. water en olie).

De contactspanning tussen water en lucht is hoog. Anders gezegd: het kost minder energie om watermoleculen met elkaar in contact te houden dan met de lucht. Hierdoor ontstaat het effect van oppervlaktespanning, die het contactoppervlak tussen lucht en water tracht te minimaliseren. Resultaat: kleine hoeveelheden water vormen in een omgeving van lucht ongeveer bolvormige druppels (minimaal contactoppervlak met lucht). Over oppervlaktespanning had ik het trouwens al eerder op dit blog: in verband met koffie en in verband met afwassop.

Het water op de foto wordt aan de bovenkant omgeven door lucht, maar rust tegelijk op een blad met een wasachtige laag. De oppervlaktespanning tussen olie en water is ook hoog. Ook hier geldt dus dat het water een zo klein mogelijk contactoppervlak zal proberen vormen. Als de hoeveelheid water groter wordt, krijg je eerder een plasje water dan een bolvormige druppel. Dit komt door de zwaartekracht: op een gegeven moment is het gewicht van het water groter dan de krachten van de oppervlaktespanning.

Waterdruppel op het blad van een lupine.Tot nu deed ik alsof het blad glad was, maar ook de structuur van het oppervlak speelt een belangrijke rol bij de benatting. Bij een ruw oppervlak (met een wasachtige, waterafstotende laag) zal de druppel niet mooi de vorm volgen (want dat zou een groot contactoppervlak vereisen, met een hoge oppervlaktespanning als gevolg), maar eerder op de uitstekende toppen rusten. Dit lijkt ook te gebeuren door de haartjes op de bladen van deze lupines: het water sluit bijna nergens aan met het blad (er zit een luchtlaagje tussen), maar wel met de haartjes (uitstekende delen).

Hoewel haartjes bij planten dus helpen om water op enige afstand te houden van het blad, kunnen ze tegelijk de wateropname uit de lucht bevorderen. Doordat de haartjes uitsteken, vergroot dit het volume waaruit ze water kunnen oppikken. En als er eenmaal een druppeltje gevormd is, heeft dat slechts een heel klein contactpunt nodig (weinig contactspanning) om toch aan zo’n haartje te blijven hangen. Vaak hebben die haartjes trouwens een schubachtige structuur (niet noodzakelijk zichtbaar met het blote oog), wat zorgt voor extra ruwheid; dit vergroot het contactoppervlak nog verder.

Waterdruppel op het blad van een lupine.Eens de druppel gevormd is, rolt hij door de aanwezigheid van de haartjes minder snel weg. Dit kan uitgelegd worden aan de hand van een energiebarrière. Als je zelf een druppel water in het midden van zo’n blad legt (bij de nerf, althans als daar geen haartjes staan), zal die mooi naar beneden rollen. Als het water echter – zoals dat op de foto – nog geen contact heeft met het bladoppervlak, zal het daar ook niet spontaan naartoe beginnen bewegen, omdat het dan eerst zijn opppervlaktespanning (ten minste tijdelijk) moet verhogen. (Dit effect zou je “pinning” van de contactlijn kunnen noemen.) Door met het blad te schudden, voeg je zelf wat energie toe. Hierdoor kan de energiebarrière eventueel overwonnen worden, waardoor minstens een deel van het water alsnog van het blad zal afstromen.

In elk geval een boeiend onderwerp! Zelfs de schrijvers van handboeken zoals “Functional Surfaces in Biology” weten nog niet alle details.

Aanvulling (6 maart 2014, 20u):

Foto toegevoegd (met toestemming). Op het web staan er trouwens nog veel mooie foto’s van waterdruppels op lupines (kijk maar hier, hier, of hier).

Het universum: fijn geregeld, of niet?

Internetmeme wetenschapspopularisator.Volgens sommige mensen is het universum precies afgestemd op het ontstaan en het onderhouden van leven. Want – zo gaat de redenering – als één van de fundamentele natuurconstanten maar een tikkeltje anders zou zijn, dan zou het leven (zoals we dat nu kennen) onmogelijk worden. Er zouden bijvoorbeeld geen sterren zijn, of geen koolstofchemie – in elk geval zou er niet voldaan zijn aan minstens één noodzakelijke voorwaarde voor het ontstaan van leven. Ons universum is precies goed voor ons bestaan. Je zou voor minder een schepper vermoeden.

Is de fijnregeling van het universum inderdaad een onbetwistbaar argument voor intelligent design (of ‘intelligent ontwerp‘), hetgeen dus een ontwerper veronderstelt, of kun je het ook anders zien?

Vrouwen weten al langer dat onze lichamen niet meteen blijk geven van intelligent design, maar hoe zit dat met het ontwerp van het universum als geheel? In onderstaande tirade over ‘stupid design‘ (link filmpje) gaat de Amerikaanse astrofysicus en wetenschapspopularisator Neil deGrasse Tyson stevig in tegen een al te rooskleurig beeld van het universum als een menslievende omgeving. (Dit is een fragment uit deze lezing die Neil deGrasse Tyson gaf op een conferentie over wetenschap en religie in 2011.)

Een andere vraag die zowel wetenschappers als niet-wetenschappers boeit, is of er nog (meercellig) leven in het universum is buiten dat op de Aarde. Is het feit dat we nog geen buitenaards leven gevonden hebben, een signaal dat het er gewoon niet is? Neil deGrasse Tyson lijkt te denken van niet, zoals blijkt uit onderstaand citaat. Het heelal is zo groot en we hebben er nog maar zo weinig van geëxploreerd.

Citaat van Neil deGrasse Tyson over leven (elders) in het universum.

Citaat van Neil deGrasse Tyson over leven in het universum: “Er bestaat nergens leven behalve op Aarde? Dat is alsof je een beker water uit de oceaan schept en daaruit concludeert dat er geen walvissen in de oceaan zwemmen.”

Waarom Shixie fysica studeerde

Shixie is de artiestennaam van Xiangjun Shi. Ze is geboren in China, maakte omzwervingen in Rusland en Groot-Brittannië en studeerde de voorbije vijf jaar in Amerika: zowel fysica aan Brown University als animatie aan de Rhode Island School of Design. Ze maakte onderstaand animatiefilmpje over waarom ze fysica studeerde en hoe zij de wereld ziet.

Hier thuis houden we zowel van fysica als van tekenfilms en wij vonden het dus prachtig.

Het filmpje lijkt lief en lichtvoetig (“Everybody is a circle.”), terwijl het toch over een groot thema gaat. Sommige aspecten zijn heel herkenbaar. Het thema (zeker het stuk dat begint vanaf 2 minuten) sluit ook goed aan bij mijn huidige project: inexactheid in de exacte wetenschappen.

Geniet ervan!

Bling bling in space

Eens om de zoveel tijd komt er een bericht in het nieuws over een vorm van diamant in de ruimte: in sterren, planeten, meteorieten, of satellieten. Eerder deze maand nog berichtte Eos erover dat het op Jupiter en Saturnus diamant zou regenen. Hierbij een overzicht in vijf stappen: van microscopisch kleine diamantkorrels naar kolossale klompen diamant en van kortbij naar verder weg.

Een grote diamant in de ruimte.

Een grote diamant in de ruimte. (Bron afbeelding.)

(1) Diamanten in meteorieten. We beginnen met stukjes uit de ruimte die op aarde te vinden zijn: sommige meteorieten bevatten diamant. Dit betekent niet automatisch dat het diamant afkomstig is uit de ruimte, want het zou ook kunnen ontstaan op het moment dat de meteoriet met een harde klap op de aarde neerstort. Voor beide vormingsprocessen zijn er aanwijzingen; het hangt van de specifieke meteoriet af.

Het oudste gekende voorbeeld stamt uit 1886: er viel toen een meteoriet in Mordovië (Rusland), waarvan twee jaar later werd vastgesteld dat die diamantkorrels bevatte. Er wordt nog steeds onderzoek verricht op deze meteoriet, in de hoop aan de weet te komen waar de meteoriet vandaan komt en hoe het diamant erin is ontstaan.

Fragment van de Canyon Diablo meteoriet.De bekendste inslagkrater van een meteoriet op aarde bevindt zich in een woestijn in Arizona: de Barringerkrater (vernoemd naar de Amerikaanse geoloog en mijnbouwingenieur Daniel Barringer). In de Cañon Diablo meteoriet, die deze krater veroorzaakte, werden in 1891 al harde korrels gevonden. In de jaren 1930 werd de meteoriet verder onderzocht en toen bleken de harde korrels kleine stukjes diamant te zijn. Nog later werd ontdekt dat deze diamantkorrels niet allemaal dezelfde structuur hebben als aards diamant: in aards diamant vormt het koolstof een kubische structuur, maar ongeveer een derde van het diamant in de Cañon Diablo meteoriet heeft een hexagonale structuur. Deze alternatieve vorm van diamant wordt lonsdaliet genoemd (ter ere van de Ierse kristallografe Kathleen Londsdale).

In 1971 viel er een meteoriet in Finland: de Haverö-meteoriet. In 2010 kwam deze meteoriet opnieuw in de belangstelling: het diamant hierin lijkt harder te zijn dan ander diamant dat op aarde gevonden wordt, omdat het zich nog moeilijker laat polijsten. Het is waarschijnlijk ontstaan tijdens de impact, doordat er een schokgolf door de laagjes grafiet ging.

Zo ziet de satelliet Proba-2 eruit (artist impression).

Zo ziet de satelliet Proba-2 eruit (artist impression door de Franse illustrator Pierre Carril). (Bron afbeelding: ESA.)

(2) Zonneblinde UV-sensoren. We wenden onze blik van de aarde af, naar omhoog. Er draait diamant in een baan om de aarde: de Europese satelliet Proba-2 die in 2009 is gelanceerd, heeft vier instrumenten aan boord. Eén daarvan is de Large Yield Radiometer (LYRA): deze detector doet metingen van de straling van de zon. Hierin zitten een aantal stukjes synthetisch diamant (gemaakt op het Instituut voor MateriaalOnderzoek in Diepenbeek), die dienst doen als UV-sensoren. Diamant is gevoelig voor UV doordat het een brede bandkloof heeft. (Anders gezegd: het energieverschil tussen valentie- en conductieband komt overeen met de energe van een foton in het UV-gebied.) Omdat diamant bovendien transparant is voor zichtbaar licht, is het heel geschikt om als UV-sensor te dienen. (Andere materialen die gebruikt worden in UV-sensoren moeten met filters afgeschermd worden van het zichtbare deel van de straling die de zon uitzendt.)

Volgens deze website is het LYRA-project het eerste waarin diamanten UV-sensoren in ruimteonderzoek gebruikt worden. De meest recente spectra van LYRA staan op deze webpagina van de Koninklijke Sterrenwacht van België (klik op de figuur rechts bovenaan). Een archief met links naar alle resultaten vind je hier.

Diamond Rain.(3) Als het diamanten regent… We dwalen door het zonnestelsel en wenden onze blik naar de zevende en achtste planeet in ons zonnestelsel: Neptunus en Uranus. In oktober 1999 werd er geopperd dat het op deze gasreuzen diamanten zou kunnen regenen. Er is methaan aanwezig (bron van koolstof) en de druk en temperatuur zouden er hoog genoeg zijn om diamantvorming mogelijk te maken. Als er zich eenmaal een diamantkristal heeft gevormd, heeft dit een hogere dichtheid dan het omringende gas van de planeet en zou het naar het centrum van de planeet toe beginnen vallen. Vandaar het beeld van “diamanten regen”, dat uiteraard tot de verbeelding spreekt.

Theoretisch werk uit 2007 toonde aan dat diamantvorming in gasplaneten mogelijk is, maar toch erg onwaarschijnlijk blijft. Computersimulaties van Amsterdamse onderzoekers hebben toen aangetoond dat de vorming van grafiet statistisch gezien de overhand heeft.

In oktober 2013 kwam opnieuw in het nieuws dat er op twee planeten in ons zonnestelsel veel diamant te vinden zou zijn (onder andere bij Eos, via Eddy Echternach van Astronieuws). Het gaat deze keer over de vijfde en zesde planeet, Jupiter en Saturnus, dus niet over Neptunus en Uranus. Toch verbaasde me dat, gezien het vorige resultaat. Zijn er dan nieuwe feiten? Echternach gebruikte deze bron: daarin wordt er inderdaad verwezen naar recenter onderzoek, waaruit blijkt dat diamant zich kan vormen in bepaalde zones in deze planeten, maar dat druk en temperatuur in diepere zones zo hoog zijn, dat diamant er smelt.

Er is hierbij ook sprake van “diamantregen”, maar in het geval van Jupiter en Uranus moet je niet denken aan stenen die naar het midden zinken, maar aan diamant dat smelt.

Een diamantplaneet.

Een diamantplaneet. (Bron afbeelding.)

(4) Exit de diamant exoplaneet. We laten ons zonnestelsel achter en reizen naar 55 Cancri, een dubbelster op meer dan 40 lichtjaar afstand. In 2010 werd vastgesteld dat de gele dwergster 55 Cancri A meer koolstof dan zuurstof bevat. Er draaien vijf planeten rond deze ster, waaronder een superaarde: 55 Cancri e. In oktober 2012 namen onderzoekers van de universiteit van Yale aan dat de planeet 55 Cancri e ook meer koolstof dan zuurstof bevatte (net als de ster waar de planeet rond draait). Mede op grond van deze informatie kwamen ze op de hypothese dat deze exoplaneet mogelijk een kern had die voornamelijk uit diamant bestond. (Dit was toen onder andere te lezen bij Eos, via Echternach van Astronieuws.)

Een jaar later, in oktober 2013, wordt dit eerdere bericht ontkracht (zie ook het persbericht en Astronieuws): nieuwe spectroscopische analyses van de ster tonen aan deze toch niet meer koolstof dan zuurstof bevat. Er is dus ook geen reden om aan te nemen dat dit wel zou gelden voor de bijbehorende planeet. Kortom, de superaarde 55 Cancri e bestaat waarschijnlijk niet voornamelijk uit diamant.

In 2011 kwam er een andere mogelijke diamantplaneet in het nieuws (zie ook bij Eos en op Astroblogs): het gaat om een exoplaneet die rond een pulsar (PSR J1719-1438) draait en waarvan de hoge dichtheid doet vermoeden dat de planeet hoofdzakelijk uit diamant bestaat. De pulsar wordt bestudeerd met radiotelescopen. De dichtheid van de bijbehorende planeet wordt in dit geval niet bepaald aan de hand van spectroscopische gegevens. Onze informatie over het bestaan en de dichtheid van deze planeet berust op indirecte gegevens: hoe de aanwezigheid van deze – tot op heden niet rechtstreeks waarneembare – planeet de pulsar beïnvloedt.

De conclusie dat we nu honderd procent zeker zijn dat er ergens in de ruimte een diamantplaneet bestaat, lijkt dus voorbarig.

Veel diamantjes in het oude computerspel 'Boulder Dash'.

Er vielen ook veel diamantjes te rapen in het oude computerspel ‘Boulder Dash‘. (Bron afbeelding.)

(5) Fonkel fonkel, diamanten ster. Wat met planeten niet lukt, lukt misschien wel met sterren?

Om te beginnen is de diamant-‘planeet’ die rond pulsar PSR J1719-1438 draait naar alle waarschijnlijkheid een ster, meer bepaald een witte dwerg: een afkoelende, zwak stralende ster die aan het einde van haar leven komt.

De beste aanwijzingen die we momenteel hebben voor een grote diamant in de ruimte is afkomstig van een andere witte dwerg: BPM 37093. De ster werd geobserveerd in 2004 en berekening uit 2007 tonen aan dat deze witte dwerg best wel eens uit diamant kan bestaan. Deze witte dwerg wordt daarom ook wel “Lucy” genoemd, naar het liedje van The Beatles: “Lucy in the sky with diamonds“. (Persbericht hier en stukje op Astroblogs hier. De berekeningen staan in hetzelfde artikel dat de hypothese over de vorming van diamant in gasplaneten ontkrachtte.)

Professor Kees De Jager maakte een Nederlandstalige presentatie over deze diamantster (bron; via). Die kun je hieronder bekijken.

Aanvulling (25 juni 2014):

Volgens National Geographic zou er weer een diamanten ster (witte dwerg die rond pulsar PSR J2222-0137 draait) “ontdekt” zijn. Voor zo ver ik kan zien vermeldt de preprint van Kaplan et al. deze hypothese niet expliciet, maar blijkbaar heeft de eerste auteur het wel zo toegelicht aan de journalisten.

Schuimmaan (oplossing fotoraadsel)

De vraag bij dit fotoraadsel was: waarvan is deze fantasiemaan gemaakt?

Rara, waarvan is deze fantasiemaan gemaakt?

Rara, waarvan is deze fantasiemaan gemaakt?

Jullie reacties

Er bereikten mij twaalf reacties via vier verschillende kanalen (Material Girl op SciLogs, mijn eigen blog, de Twitter-account @eos_magazine en de Facebook-pagina van Eos). Uit jullie gokken kan ik twee dingen opmaken: dat jullie opmerkzame mensen zijn en dat velen onder jullie dorstige types zijn. ;-)

Op SciLogs opende Geert Van Gestel met de gok “schuim”. Ik kan al verklappen dat dit juist was, maar andere SciLog-lezers zochten verder naar een preciezer antwoord. Francky dacht ook aan schuim, waarschijnlijk van boter in de pan, Willem Hulscher aan een pannenkoek en Walter Valgaeren aan een sinaasappel. (Of hij op schuimend sinaasappelsap doelde, dan wel op de schil van de vrucht, weet ik echter niet.) Deze drie gokken zaten ernaast, maar ik heb intussen wel honger gekregen!

Ook aan onze dorst werd gedacht. Evy Sohier, zelf geen koffiedrinker, gokte op het schuim op een koffie. PJ Swinkels durfde (op mijn eigen blog) de koffie-hypothese wel verder te verfijnen: “waarschijnlijk Italiaans, maar geen cappuccino, die is witter van kraag“.

Alicia Meersschaert gokte (via Facebook) op de kraag van een Guinness. Op SciLogs hield Hans het op een “close-up van schuimkraag van een biertje vanbovenaf gezien”.

Een zekere “Mr. X” gokte (via Twitter) op zeepsop van afwaswater. Op SciLogs kreeg hij navolging van Sven (“Volgens mij gewoon afwaswater.”) en van Sam Bennekens (“zeepsop!”). Maciej hinkte op twee gedachten: “Voor mij lijkt dit op schuim op afwaswater. Kan natuurlijk op slecht bier zijn, da lijkt daar wel op ;)”

(Voor het juiste antwoord moet je snel verderlezen na de vouw!)

(meer…)

Is wiskunde een taal?

Dit stukje is in licht gewijzigde vorm als een column verschenen in Eos.
(Jaargang 30, nummer 10, rubriek “Scherp gesteld”.)

De zoektocht naar de werkelijkheid achter de wereld.Het idee dat wiskunde een taal is, gaat terug op Galileo Galilei, die zei dat het boek van de natuur geschreven is in de taal van de wiskunde. In zijn werk “Il saggiatore” (“De proefnemer”) uit 1623 beschreef hij het universum als een boek dat permanent open voor onze ogen ligt, maar waarvan we eerst de gebruikte taal en haar symbolen moeten leren begrijpen. Hij verduidelijkte dat het boek geschreven is in de wiskundige taal en dat de symbolen in kwestie geometrische figuren zijn. Zonder begrip van deze taal dwalen we tevergeefs rond in een duister labyrint, aldus Galileo.

Wiskunde wordt dus de taal van de natuur genoemd. Maakt dat van wiskunde een natuurlijke taal? Nee, want er zijn geen mensengroepen – ook niet op een exotisch Wisland – die spontaan louter in formules met elkaar praten. Studenten fysica kunnen het getuigen: wiskunde leren vergt inspanning. Het zou misleidend zijn om te veronderstellen dat ze tijdens die studies een taalbad krijgen, waarna ze het universum kunnen lezen als een open boek.

In Nederland is “wiskundetaal ontwikkelen” een kerndoel in de lagere jaren van het middelbaar onderwijs. Is wiskunde dan een kunstmatige taal, zoals Esperanto? Welnee, want met wiskunde kun je niet eens hallo zeggen of vloeken – toch de eerste dingen die je leert in een nieuwe taal.

Wiskunde wordt niet alleen een taal genoemd, maar een uiterst precieze en elegante taal. Is wiskunde misschien een formele taal? Toch niet, het is precies andersom: wiskunde en logica kun je gebruiken om formele talen te beschrijven; wiskunde zelf kun je echter niet bedrijven zonder gebruik te maken van een gewone taal, zoals het Nederlands. Sla er gerust een wiskundeboek op na: er staan weliswaar veel formules in, maar die worden met elkaar verbonden door zinnen in het Nederlands, Engels, of Russisch, of in welke taal het boek ook is opgesteld.

Meetkundig bewijs met Chinese tekens.Een Chinese wiskundeprofessor zal in een Nederlandstalig handboek over zijn of haar vakgebied de belangrijkste stellingen vast herkennen, louter aan de gebruikte symbolen, maar een Vlaamse wiskundestudent heeft niets aan een Chinees handboek, omdat hij of zij de uitleg tussen de formules weldegelijk nodig heeft om het vak te leren. De zinnen tussen de formules zijn meer dan bindtekst, want ook binnen bewijzen staan er belangrijke toelichtingen.

Sommige stellingen worden met behulp van computers bewezen (waarbij de term ‘formele taal’ nu wel van toepassing is). Een voorbeeld is de vierkleurenstelling, die zegt dat je slechts vier kleurpotloden nodig hebt om eender welke landkaart zo in te vullen dat aangrenzende landen een verschillende kleur hebben. Een computerbewijs lijkt een woordenloze aaneenschakeling van symbolen. Toch vergt het heel wat ondersteuning door woorden: hoe werkt het algoritme en wat betekenen de symbolen? Zonder deze toelichting is het bewijs in feite onvolledig.

Kortom, wiskunde is volgens mij geen taal. Het is veeleer een toevoeging bij onze natuurlijke taal, net zoals een arts anatomische termen leert. In het geval van medisch Latijn is het duidelijk dat het geen op zichzelf staande taal is, maar slechts een uitbreiding ervan.

Ambiguïteit: wat gebeurt in Vaagheid blijft in Vaagheid.Natuurlijke talen zijn notoir ambigu: hetzelfde woord kan meerdere betekenissen hebben. Neem het woord ‘monster’: in een sprookjesboek verwijst het naar een draak of hellehond, maar in het laboratorium verwijst het naar een specimen. Voor de triviafans is het leuk om te weten dat beide betekenissen aan elkaar verwant zijn: beide gaan terug op ‘monstrare’, het Latijn voor (aan-)tonen. Terwijl het wetenschappelijke monster gebruikt wordt om moeizaam één of andere eigenschap aan te tonen, toont het sprookjesmonster zijn kwaadaardige natuur meteen, want in sprookjes geldt: ‘lelijk = slecht’.

Het voordeel van een vaktaal is dat de context meteen duidelijk is, maar het nadeel is dat de betekenis voor niet-ingewijden niet meer transparant is. Dat is hoe ik wiskunde zie: een uitbouw aan onze taal, die troebel lijkt van buitenaf, maar die helder wordt als een kristallen paleis zodra je er naar binnen durft. Een sprookje dat maar één wet volgt, namelijk: ‘mooi = goed’.

~

Aanvulling (januari 2016):

Zo kan je vloeken in wiskunde! :-)

Kan gas naar plasma overgaan?

Plasma is een stralende, nieuwe aggregatietoestand.Drie weken geleden kreeg ik een vraag van een journaliste, die een stuk aan het voorbereiden was over “stralen” in de breedste zin van het woord. Iemand had haar verteld dat plasma een fysische toestand is waarin materie straalt. Zo was ze op mijn blogstukje over aggregatietoestanden terechtgekomen en vervolgens had ze me hier enkele vragen over gemaild.

Eén van de dingen die ze zich afvroeg was: “Kan gas naar plasma overgaan?” Aangezien de journaliste geen uitgebreid stuk over fysica gaat schrijven, plaats ik hieronder mijn volledige antwoord.

De drie klassieke aggregatietoestanden met de faseovergangen ertussen.Ja, gas kan zeker in plasma overgaan. Dat is precies het idee van faseovergangen: dezelfde stof kan in verschillende toestanden voorkomen en daarbij heel verschillende eigenschappen hebben.

Een gas kun je vloeibaar maken door het te laten afkoelen: denk maar aan de waterdamp in een warme badkamer die druppeltjes vormt zodra het de koude spiegel raakt. Daarbij gaat er water over van de gasvormige toestand (damp) naar de vloeibare toestand (druppels).

Als je een gas echter verder opwarmt, kan het een plasma worden. Opwarmen is een manier om energie toe te voegen aan een stof. Er zijn ook andere manieren om energie toe te voegen aan een gas, bijvoorbeeld door er een elektrische spanning over aan te leggen. Dit gebeurt elke keer als je een TL- of spaarlamp aanzet: door een elektrische stroom te laten lopen door het gas dat in de buis zit, gaat dit gas over in plasma en daarbij gaat het licht uitzenden. Sommige mensen hebben een plasmatelevisie in huis en zoals de naam al aangeeft is ook het licht van zo’n TV afkomstig van plasma.

Een diamantstaaltje in de reactorkamer met een paarsgloeiende plasma.In het laboratorium waar ik vroeger werkte, gebruikten we weer een andere manier om gas in plasma om te zetten: microgolven (zie ook dit stukje). Een mengsel van waterstofgas en methaan (aardgas dus) wordt met behulp van microgolven omgezet in plasma. Het koolstof uit het methaan kan vervolgens als dunne lagen diamant afgezet worden. Tijdens het proces kun je in de reactorkamer kijken en daar zie je het plasma paarsachtig oplichten. Als je andere gassen toevoegt, verandert de kleur van het plasma; chloorgas bijvoorbeeld geeft het plasma een roze gloed.

In een gas zitten neutrale atomen: positief-geladen kernen met daarbij precies genoeg negatief-geladen elektronen, zodat het atoom als geheel lading nul heeft. Door energie in het gas te pompen (door opwarming, aanleggen van elektrische spanning, of microgolven), worden er negatief-geladen elektronen losgeslagen van de positief-geladen kernen. Een kern die één of meerdere elektronen kwijt is, noemt men een ion. Als de elektronen en ionen vrij van elkaar voorkomen, noemt men die toestand een plasma.

Tijdens het relaxeren (terugvallen naar de kern) zendt het elektron een foton uit.Als een elektron terug aan een ion bindt, noemt men dit relaxeren, omdat het elektron daarbij van een vrije toestand met veel energie terugvalt naar een gebonden toestand met minder energie. Tijdens het relaxeren zendt het elektronen een pakketje energie uit in de vorm van een foton: licht. Daarom moet je moet voortdurend energie blijven pompen in een plasma, anders relaxeren alle elektronen onmiddellijk weer, waarbij ze allemaal slechts één keer licht uitzenden en daarna dooft het plasma uit. Nadat je een spaarlamp hebt aanzet, moet je de schakelaar dus aan laten staan zolang je licht wil hebben. Intussen zijn de elektronen in de spaarlamp voortdurend aan het fitnessen: zodra ze wat energie krijgen maken ze zich vrij van hun kern, maar kort daarna vallen ze weer terug bij een andere kern waarbij ze een pakketje energie uitsturen in de vorm van licht. Dan begint het weer voorafaan.

Het is een soort chaotische stoelendans: telkens als het elektron even bij een kern kan gaan zitten uitrusten, zegt het elektron “hoera” in de vorm van een foton. De straling van een plasma is dus een soort vreugdevuur dat wordt afgeschoten door relaxerende elektronen.

Het Noorderlicht.Onze zon is één grote plasmabol, net als alle andere sterren. Dit plasma wordt op gang gehouden door de kernreacties die plaatsvinden in de kern. Al het licht die wij op aarde van de zon ontvangen is dus het bewijs dat plasma inderdaad kan stralen. Het plasma van de zon zendt niet alleen zichtbaar licht uit, maar ook infrarode straling, die wij ervaren als stralingswarmte. Verder produceert de zon ultraviolet licht en zelfs röntgenstralen*, maar de aardse atmosfeer fungeert als een filter waardoor we die straling niet allemaal op onze bol krijgen. Bliksem is eigenlijk ook een plasma, net als het Noorderlicht, dat ik ooit met eigen ogen hoop te kunnen zien. Het Noorderlicht wordt veroorzaakt door deeltjes die met zo’n hoge snelheid de aardse atmosfeer bereiken dat er daarbij een stralend plasma ontstaat.

*: Ja, ook op vlak van dit detail was de kortfilm “The adjustable cosmos” accuraat!

En nu maar hopen dat de journaliste het niet té kort door de bocht maakt, zoals: “Fysicus zegt dat plasma roze blijdschapsgloed is van opgeluchte elektronen.” Allemaal duimen en positieve stralen sturen, hè. :-)

Wetenschap maakt macht

Dit stukje is in licht gewijzigde vorm als een column verschenen in Eos.
(Jaargang 30, nummer 6, rubriek “Scherp gesteld”.)

Elio Di Rupo in labojas aan de UHasselt.Wat heeft Elio Di Rupo gemeen met Angela Merkel? Zijn politieke strekking is alvast geen juist antwoord, want Di Rupo is socialist en Merkel christendemocraat. Wel hebben deze Europese leiders allebei een doctorstitel in de wetenschappen op zak. Belgisch premier Di Rupo studeerde scheikunde aan de universiteit van Mons en behaalde ook een doctoraat in dit vakgebied. De Duitse bondskanselier Merkel studeerde fysica aan de universiteit van Leipzig en behaalde vervolgens een doctoraat in de kwantumchemie.

Wat heeft Angela Merkel gemeen met Margaret Thatcher, die op 9 april van dit jaar overleed? Je weet wellicht dat Thatcher de eerste (en vooralsnog enige) vrouwelijke eerste minister van Groot-Brittannië was en dat ze de bijnaam “The Iron Lady” kreeg. Merkel is de eerste vrouwelijke bondskanselier van Duitsland en zij wordt zelfs de Duitse Iron Lady genoemd. Op deze vraag zijn er dus veel goede antwoorden mogelijk.

Laten we het een beetje moeilijker maken. Wat had Margaret Thatcher gemeen met zowel Elio Di Rupo als met Angela Merkel? Het is een minder bekend aspect van Thatchers leven, maar net als Di Rupo en Merkel was ze wetenschapper van opleiding. In 2011 zette de Britse wetenschapshistoricus Jon Agar haar carrière als scheikundige op een rij in zijn artikel “Thatcher, Scientist”. Hieruit blijkt dat Margaret Thatcher (of eigenlijk Roberts, zoals ze voor haar huwelijk heette) gedurende vier jaar chemie studeerde aan de Universiteit van Oxford. Ze behoorde tot Somerville College, dat toen nog exclusief voor vrouwen was voorbehouden.

In die tijd was ook Dorothy Hodgkin aan Somerville College verbonden. Hodgkin was een chemica die röntgendiffractie gebruikte om onderzoek te doen naar de structuur van biomoleculen, zoals insuline, penicilline en vitamine B12. Ze zou voor haar werk de Nobelprijs Scheikunde ontvangen in 1964. Thatcher schreef haar afstudeerscriptie in het labo van Hodgkin gedurende het academiejaar 1946-’47. Daarbij deed ze onderzoek naar de kristallografische structuur van Gramicidine S (een antibioticacocktail).

Thatcher in het lab.Hoewel Thatcher al tijdens haar studies actief was in een conservatieve vereniging, bleef ze vooralsnog bij de wetenschap: ze werkte gedurende drie jaar voltijds op de onderzoeksafdeling van een bedrijf dat plastics produceerde, vermoedelijk aan de kwaliteitscontrole van het verlijmen van PVC met metaal. Daarna werkte ze als scheikundige in de voedingsindustrie aan verzepingsreacties. In 1951 hing ze haar labojas definitief aan de kapstok: ze was dat jaar gehuwd, haar politieke carrière liep steeds vlotter en daarom ging ze ook fiscaal recht bijstuderen.

Naar verluidt was Thatcher dol op de volgende anecdote over natuurkundige Michael Faraday (al is de herkomst van deze anecdote twijfelachtig). Toen de toenmalige minister van financiën Faraday ontmoette rond 1850, vroeg de minister hem of zijn werk aan elektriciteit ook nuttige toepassingen had. “Jawel, mijnheer”, zou Faraday gezegd hebben, “op een dag zult u er een belasting op heffen.”

Al deze bedenkingen over Di Rupo, Thatcher en vooral Merkel herinneren me aan een voorval dat ik zelf heb meegemaakt. Toen ik eens aan een Duitse arts vertelde dat ik fysica zou gaan studeren, reageerde hij met: “Aha, dan kun je nog in de politiek gaan.” Wat hebben quarks en de oerknal met politiek te maken, vroeg ik me verbaasd af.

Inmiddels begrijp ik zijn reactie beter, want blijkbaar stappen er in Duitsland inderdaad meer wetenschappers in de politiek dan in ons land. Merkel zelf spant natuurlijk de kroon, maar ook haar huidige minister van onderwijs en onderzoek, Johanna Wanka, is doctor in de wiskunde. (Wanka volgde in februari van dit jaar Annette Schavan op, die net daarvoor haar doctorstitel in de pedagogie had moeten inleveren, nadat een anomieme blogger plagiaat ontdekt zou hebben in haar proefschrift.)

Kennis mag dan macht zijn, de machthebbers in ons land hebben vooral kennis van recht en economie. Als je even stilstaat bij de enorme rol die wetenschap en technologie in ons dagelijks leven spelen – bijvoorbeeld in onze voeding, communicatie en energie – is een gebrek aan wetenschappelijke geletterdheid bij onze politieke leiders toch wel zorgwekkend. Misschien kan onze huidige premier meer wetenschappers inspireren om de stap te overwegen?

Aanvulling:

Twee dagen nadat ik mijn column had ingestuurd, verscheen er bij Wetenschap 101 ook een filmpje over dit onderwerp. Scooped! :-)

Parallelle universa

Onlangs schreef ik over de veel-werelden-interpretatie van de kwantummechanica en hoe ons universum daarin slechts één tak blijkt te zijn van een veel groter geheel: het multiversum.

Kwantummechanica is niet de enige context waarin de term “parallelle werelden” opduikt binnen de fysica. In onderstaand filmpje (link) van “Minute Physics” worden er drie soorten parallelle werelden uit de doeken gedaan (en op Wikipedia vind je nog meer mogelijkheden):

  1. bubbeluniversa, die zich eigenlijk binnen één en hetzelfde universum bevinden, maar dan op zo’n grote afstand van elkaar (mogelijk door aanhoudende inflatie), dat ze niet binnen dezelfde waarnemingshorizon vallen,
  2. branen uit de supersnarentheorie en de overkoepelende M-theorie,
  3. takken in het multiversum.

Is dit meer dan fantasie of metafysisch gemijmer? Vanaf 3min45′ wordt er in het filmpje ingegaan op mogelijkheden om de drie theorieën te testen. “Fysica is wetenschap, geen filosofie,” volgens de commentaarstem en: “We moeten beweringen doen die in principe getoetst kunnen worden en ze dan toetsen.” Dus, hoe fantastisch sommige hypotheses ook klinken, uiteindelijk beslist het experiment.