Tag Archief: fysica

Synthetisch diamant

Alle koolstofatomen zijn hetzelfde, of ze nu in grafiet of in diamant ingebouwd zijn.In deze tweede aflevering van “Materiaal op maandag” (deel 1 is hier) gaan we dieper in op diamant, mijn favoriete materiaal. Diamant spreekt tot de verbeelding. Niet enkel tot die van trouwlustige jongedames, maar ook tot die van wetenschappers. Aan het eind van de achttiende eeuw had de Engelse chemicus Smithson Tennant met een eenvoudige proef aangetoond dat diamant uit dezelfde substantie bestaat als grafiet en houtskool (zie Tennants artikel uit 1797). Intussen weten we dat deze drie materialen uit puur koolstof bestaan: element C met atoomnummer 6. Tussen een individueel atoom van het grafietstaafje in je potlood of een atoom van een diamant zit er geen enkel verschil. In tegenstelling tot edelmetalen zoals goud is het element koolstof ook helemaal niet zeldzaam.

Wat diamant zo bijzonder maakt, zijn niet de individuele atomen, maar de ordening van die deeltjes. Ze zitten in een sterk gebonden kristalrooster en dit geeft het materiaal een aantal bijzondere eigenschappen: diamant is heel hard, het is transparant en het heeft ook interessante elektronische eigenschappen. Of koolstof zich ordent als grafiet of als diamant (of nog andere allotropen van het materiaal, zoals buckyballen) hangt af van de omgeving waarin het zich bevindt. Bij kamertemperatuur en onder normale atmosferische druk heeft grafiet de voorkeur. In de aarde, op zo’n 160 km diepte (dit is onder de aardkorst, in de aardmantel), zijn er echter zones waar diamant spontaan kan ontstaan: de druk is er hoog genoeg bij een temperatuur van rond de duizend graden Celsius. Als er dan ook nog vulkanische activiteit in de buurt is, kan het diamant met het gloeiende magma meeliften naar het aardoppervlak. Er zijn weinig plaatsen waar al de omstandigheden precies goed zijn (diamant wordt vooral gewonnen in centraal en zuid Afrika) en dat maakt diamanten zeldzaam en kostbaar.

De alchemisten droomden ervan om goud te maken van minder waardevolle materialen. Achteraf – met onze huidige wetenschappelijke kennis – is het gemakkelijk om in te zien waarom dit niet lukte: om het element goud (Au) te maken uit andere elementen zou je een kernreactie moeten opstarten. Omdat zowel diamant als grafiet echter uit hetzelfde (vrij alledaagse) element koolstof bestaan, lijkt het idee om diamant te maken uit grafiet minder hopeloos. Het is inderdaad mogelijk om deze transformatie in het labo te laten gebeuren. Net zoals diamant op natuurlijke wijze kan ontstaan in de aarde, kun je een apparaat bouwen waarin je grafiet onder hoge druk en temperatuur laat omzetten in diamant. Deze techniek heet HPHT, wat staat voor ‘High Pressure, High Temperature‘. De toestellen zijn groot en de geproduceerde diamantjes klein. Ook heeft men met deze techniek weinig controle over de vorm en andere eigenschappen van het geproduceerde diamantkristal. Daarom bleef men verder zoeken naar alternatieve manieren om synthetisch diamant te maken.

Deze zoektocht leidde tot de ontwikkeling van een tweede type synthetisch diamant: CVD-diamant. CVD staat voor ‘Chemical Vapour Depostion‘ of ‘chemische dampafzetting’. Bij deze techniek wordt er methaangas (CH_{4} of aardgas dus) gebruikt als koolstofbron. Met behulp van microgolven wordt het gas omgezet in een plasma, waarbij de elektronen en de atoomkernen vrij voorkomen. In het plasma wordt er een plaatje silicium gelegd. Silicium heeft namelijk dezelfde kristalstructuur als diamant, met een vergelijkbare roosterconstante. Het intuïtieve idee is dat de koolstofatomen uit het plasma het rooster ‘verder bouwen’ en dat er zo een diamantfilm groeit op het siliciumoppervlak. Dit zou op de volgende manier kunnen gebeuren, waarbij het koolstof in de vorm van CH_{3}-radicalen op het oppervlak landt:

Op deze manier kan er een nieuw laagje diamant aangroeien in een CVD-reactor.

Vereenvoudigd diagram van het standaard groeimodel voor CVD-diamant. (Bron van de figuur: http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/growthmodel.htm)

Als je echter naar de temperatuur en druk kijkt van het plasma, blijkt bovenstaand reactiemechanisme zeer onwaarschijnlijk te zijn: grafiet is onder de gebruikte omstandigheden de dominante fase. CVD lijkt dus een nodeloos ingewikkelde manier om grafiet te maken, ware het niet dat men in de jaren 1960 een slimme truc heeft gevonden: men voegt een overmaat aan waterstofgas (H_{2}) toe aan het gasmengels. De vrije waterstofkernen uit het plasma zullen vooral het gevormde grafiet wegetsen en in mindere mate het diamant. (Zie deze website voor meer details.)

Zo ontstaat er een soort processie van Echternach in de CVD-reactiekamer: deeltjes koolstof landen op het silicium, de meeste hiervan vormen grafiet en slechts enkele diamant, maar het grafiet wordt door waterstof weggevangen terwijl het gevormde diamant grotendeels ongemoeid wordt gelaten. Netto groeit de diamantfilm aan, beetje bij beetje, met vallen en opstaan. Het laagje wordt elk uur één tot honderd micrometer dikker (afhankelijk van de reactieparameters). Om er een echte edelsteen van een respectabel aantal karaat van te maken is geduld dus de boodschap. Bovendien vergt het slijpen van zo’n hard materiaal ook heel wat tijd.

Het scenario waarbij de diamantair in een lege winkel staat, de reactor aanzwengelt en zegt: “Eventjes geduld, mevrouw, uw diamant is zo klaar” is en blijft dus fictie.

Filosofie van de fysica en smout in Oxford

Als Maxwells demon durft binnenkomen in de les filosofie van de fysica, wissen we meteen zijn geheugen. Entropiemaniak!Zolang ik op school zat varieerde mijn favoriete dag van de week naargelang mijn lessenrooster. Nu ik hier in Oxford ben, komt dit oude gevoel weer terug: donderdag is beslist mijn favoriete weekdag, want dan vinden de lessen en lezingen over filosofie van de fysica plaats. De lessen zijn vooral bedoeld voor Master-studenten (maar als bezoeker ben ik ook welkom) en worden gegeven door professor Simon Saunders en professor Harvey Brown.

Geloof het of niet, maar met mijn aanwezigheid in de les heb ik het gender-evenwicht met een factor oneindig veranderd. Niet één meisje zit er tussen de studenten filosofie van de fysica en beide proffen zijn ook mannen. In de andere lessen, zoals philosophy of mind en epistemologie, lijken er nochtans ongeveer evenveel vrouwelijke als mannelijke studenten in de les te zitten. Hoe komt het toch dat fysica telkens weer voor een quasi-perfecte seksescheiding weet te zorgen?

Behalve dat het jongens zijn, deden de studenten in filosofie van de fysica me ook op andere vlakken denken aan het typische publiek in een fysica-opleiding: gemotiveerd, nerdy en verlegen (maar dat groeit er wel uit). Die motivatie heeft trouwens ook een schaduwzijde: sommige deelnemers zijn een beetje té enthousiast en hun interpelaties houden het risico in dat we niet ver zullen komen met de voorziene leerstof. Tot nu toe wist de prof het allemaal vriendelijk op te vangen en toch wat vaart te houden in de les.

Danny moest aan deze comic denken toen ik hem over mijn dag vertelde:

The odds are good, but the goods are odd.

Deze klassieker van PhD-comics stamt uit 1997, maar is nog steeds van toepassing – ook in de lessen filosofie van de fysica. (Bron van de afbeelding: http://www.phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=8)

Vorige week ging de les over een paradox uit de thermodynamica en de statistische fysica: de Gibbs paradox. Een variant van de Gibbs paradox – die eenvoudiger is om uit te leggen – is de mengparadox en deze heeft te maken met de toename in entropie wanneer twee gassen gemengd worden. De entropietoename heeft een vaste waarde, ongeacht hoe sterk de gasdeeltjes in de twee samples op elkaar lijken, maar is exact nul voor identieke gassen.

De lessenreeks is amper begonnen of we hebben het geheugen van de duivels van Maxwell al gewist om niet in de knoei te komen met entropie. Dus je begrijpt (of niet?!) dat ik al een week uitkijk naar de les van morgen! Als kers op de taart is er op donderdagavond ook nog een presentatie over recent onderzoek, iedere week van een andere spreker.

'Hm, die boter is wit,' dacht ik nog.Van Maxwells demon over naar Lyra en haar dæmon. Ik ben Northern Lights van Philip Pullman beginnen herlezen en dit is wat Lyra denkt over onderzoekers die, zoals ik, naar Oxford komen voor een studieverblijf (citaat van p. 35):

[S]he regarded visiting scholars and eminent professors from elsewhere with pitying scorn, because they didn’t belong to Jordan and so must know less, poor things, than the humblest of Jordan’s Under-Scholars.

Zielig ben ik niet, alleen een klein beetje misschien als ik in de supermarkt sta zonder woordenboek. Hoewel mijn Engels ruimschoots genoeg is om over filosofie te praten, schiet mijn culinair vocabulaire tekort. Dit levert problemen op tussen de winkelrekken, in de keuken en uiteindelijk op mijn bord. ‘Hm, die boter is wit,’ dacht ik nog, om vervolgens vast te stellen dat mijn stukje kip verdacht veel naar spek smaakte. ‘Lard‘ blijkt geen gewone braadboter te zijn, maar is 100% varkensvet. Het Nederlandse woord hiervoor, ‘reuzel‘ of ‘smout’, kende ik niet eens, tot ik het hier dus opzocht. (En nu zullen smoutebollen me nooit meer zo smaken als voorheen!) Vanwege het hoge aandeel aan verzadigde vetten (voornamelijk triacylglycerol) verdween reuzel van de markt, maar de laatste vijf jaar raakte het product in Engeland terug in zwang, vooral bij aanhangers van de traditionele Britse keuken. Nu ligt reuzel hier dus weer gewoon in de supermarkt, tussen de smeer- en braadboters, tot verwarring van buitenlanders zoals ik… Hoed je voor de dag dat Jeroen Meus van Dagelijkse Kost aan de reuzel begint! Als iemand het ondanks mijn waarschuwingen toch eens wil proeven: je moet dat niet zelf maken, je mag mijn pakje gerust hebben. ;-)

Een woord dat ik ook niet kende was ‘gooseberries‘, hetgeen zich letterlijk als ‘ganzenbessen’ laat vertalen. Op goed geluk koos ik voor ‘goosberry yoghurt‘ als dessert en dat bleek heerlijk te zijn! Na een eerste hapje had ik geen woordenboek meer nodig, want de onmiskenbaar friszure smaak verraadt meteen dat het om kruisbessen of stekelbessen gaat (aan de Maaskant beter bekend als ‘kroonsjele‘ – kijk maar eens op deze kaart voor alternatieve benamingen).

Gelukkig geldt voor mij de regel: “Dessert goed, alles goed”. En zo liep het toch nog goed af.

Een flesje diamantgruis

Dit is een staaltje van diamant op silicium.De ‘r’ zit weer in de maand. Tijd voor een kop warme chocolademelk of een kannetje kaneelthee. Een goede tijd ook voor een nostalgische terugblik: vandaag de eerste post van wat een reeks wordt over mijn tijd in de materiaalfysica. Hiervoor heb ik alvast een nieuwe categorie gemaakt die “Materiaal op maandag” heet (wat niet wil zeggen dat ik élke maandag de nostalgische toer op zal gaan).

Zeven jaar heb ik gewerkt  aan het Instituut voor Materiaalonderzoek (IMO) van de Universiteit Hasselt, in labojas en met het pincet in de aanslag. Het laboratium staat vol toestellen waarmee je de eigenschappen kunt onderzoeken van tastbare dingen. Hoewel dit niet meteen de meest natuurlijke habitat is voor filosofische zielen, heb ik er toch mijn hart verloren aan fluorescentiemicroscopie en andere optische technieken. (En veel gesakkerd als het experiment mislukt was, dat ook.) In een chemisch labo draag je een witte labojas. Waarom wit weet ik niet precies: dan zie je beter als je gemorst hebt, gok ik? In het optisch labo is een zwart plunje te verkiezen. Waarom dat is weet ik wél: zwart geeft het minste kans op ongewenste reflecties. Aan optica doen is dus een goed excuus om geen labojas te moeten dragen. ;-)

Het meest gebruikte woord in het laboratorium is “staaltje” – meestal te horen als de Engelse variant “sample“, maar nooit eens met het Nederlandse synoniem “monster”. Tijdens mijn doctoraat ging ik enkele malen metingen doen aan de universiteit van Namen. Daar vielen me de twee volgende zaken meteen op: collega’s begroeten er elkaar ’s morgens met een kus en het Frans voor “staaltje” is “échantillon“.

De staaltjes die ik voor mijn onderzoek gebruikte, waren van diamant. Diamant leek me een prachtig materiaal om mee te werken! Ik ben namelijk niet zo handig, ziet u. Als het hele staal van diamant is – één van de hardste materialen ter wereld -, is het nagenoeg onverwoestbaar. Meestal echter gebruikten we een silicium- of glasplaatje als drager met daarop een dunne laag van diamant en die staaltjes zijn juist bijzonder broos. Je hoeft er maar iets te hard naar te kijken, of de diamantfilm barst door de inwendige spanning. Het kan ook gebeuren dat het laagje diamant in zijn geheel loskomt van de drager, zodat je een plooibaar vliesje diamant overhoudt, dat scheurt zodra je het met een pincet aanraakt. De eerste tijd in het labo waren deze catastrofes mijn enige onderzoeksresultaten. Naarmate ik handiger werd met het pincet en minder bang om eens een flinke beker zwavelzuur te koken (om de staaltjes grondig schoon te maken), begon ik ook echte resultaten te behalen. Samen met collega’s P. en V. lukte het om op het diamantoppervlak biologische moleculen aan te brengen om zo een biosensor te maken. Deze successen kwamen niets te vroeg, want ik was net beginnen overwegen om mijn doctoraatsonderwerp van “Biosensoren op diamant” te verleggen naar “Twintig nieuwe manieren om diamantfilms tot gruis te herleiden”… ;-) Eén flesje met diamantgruis heb ik bewaard. Door de mooie interferentiekleuren lijkt het net elfenpoeder. Wie zegt dat wetenschap niet mooi kan zijn?

Alvast niet Richard Feynman. Deze bekende wetenschapper kreeg in 1965 een (gedeelde) Nobelprijs in de Fysica voor zijn werk aan kwantumchromodynamica; hij bedacht ook een visuele manier om kwantumveldentheorie voor te stellen, die we nog steeds Feynmandiagrammen noemen. (Marcel Vonk, collega-blogger op Scilogs, schrijft deze week ook over Feynmandiagrammen, als voorbeeld van storingsrekening.) Onderstaand filmpje kwam begin deze maand online. Hierin verdedigt Feynman de stelling dat wetenschap niets afdoet aan de schoonheid van de natuur, maar er juist nog aan toevoegt:

Ada Lovelace en sterke moeders

Ada Lovelace was wiskundige en ze ontwikkelde het eerste computerprogramma... in 1843.Gelukkige Ada-Lovelace-dag!

Vandaag, vrijdag 7 oktober, staat in het teken van Ada Lovelace (het moet niet altijd Marie Curie zijn) en met haar alle vrouwen die in STEM-vakgebieden werken. STEM staat voor ‘Science, Technology, Engineering and Mathematics’. In al deze vakgebieden – natuurwetenschappen, technologie, ingenieurswetenschappen en wiskunde – vormen vrouwen tot op heden een minderheid. De website van de Ada-Lovelace-dag roept op om vandaag over wetenschapsvrouwen te bloggen. (De vorige twee jaar werd er al eens zo’n blogdag georganiseerd, maar dan op 24 maart.) Er zijn ook speciale activiteiten in Londen; helaas passeer ik daar pas over twee dagen.

Mijn eigen keuze voor fysica werd sterk gestuurd door mijn voorliefde voor sciencefiction: als tiener was mijn favoriete auteur Isaac Asimov, bekend van de robotverhalen (I, Robot werd ook verfilmd) en de Foundation-reeks. Omdat Asimov ook populair-wetenschappelijk boeken over astrofysica schreef, dacht ik dat hij astrofysicus was. Ik ging fysica studeren omdat ik dan net als Asimov over leuke dingen zou kunnen schrijven. (En toch heb ik na mijn studie nog tien jaar gewacht om met een blog te beginnen – stom!) Vorig jaar pas las ik de biografie van Isaac Asimov. Toen kwam ik erachter dat hij helemaal geen astrofysicus was, maar biochemicus. Dat verzin je toch niet?! Het leven kan raar lopen…

Ik ben altijd graag fysica geweest, al hebben sommige vrouwen minder positieve ervaringen (zie ook deze post). Intussen werk ik aan de faculteit Filosofie, niet meer binnen STEM dus. In de Theoretische Filosofie blijken vrouwen net zo in de minderheid als in STEM – al hebben we in Groningen wel een vrouwelijk departementshoofd.

In juni schreef ik al over de zomerschool die door de European Women in Mathematics georganiseerd werd in Leiden (hier, hier en hier). Ada Lovelace was daar ook al de mascotte. Op één van de sessies over vrouwen in STEM-vakgebieden werd aan de deelnemers gevraagd om onder elkaar te bespreken waarom zij wiskunde (of fysica in mijn geval) waren gaan studeren. In ons groepje zat een Chinese wiskundige. Zij was wiskunde gaan studeren op advies van haar vader. Voor de Duitse wiskundige in ons groepje was wiskunde haar favoriete vak geweest op de middelbare school; ze had er eigenlijk nooit bij stilgestaan dat dit een ongebruikelijke keuze was voor een meisje. Ik deed mijn Asimov-verhaal. Daarna nam de gespreksleidster terug het woord. “Als ik deze vraag stel”, zei ze, “vertellen de meeste mensen iets over gebeurtenissen van tijdens de laatste jaren van de middelbare school. Maar vóór die tijd hebben er al heel wat meisjes beslist dat STEM niets voor hen is.” Ze was dan ook van mening dat onderzoek niet enkel moet focussen op waarom sommige vrouwen wel voor STEM kozen, maar minstens evenveel moet kijken naar waarom zo veel meisjes wiskunde of wetenschap uit hun vakkenpakket schrappen. Zo kwam er een gesprek op gang over stereotypen en vooroordelen.

Uiteindelijk gaat het om diversiteit.Ook mannen kunnen een goed rolmodel zijn voor jonge vrouwelijke wiskundigen, vond een deelneemster op de zomerschool. Dat is natuurlijk zo. Mijn stelling voor de Ada-Lovelace-dag is dat hetzelfde geldt voor sterke vrouwen die zelf niet in STEM werken. Omdat ik het zonder haar niet beseft zou hebben, moet ik beginnen bij het verhaal van Deense wiskunde A., die ook op de zomerschool was.

Op de suggestie om ook naar zeer vroege invloeden te kijken, reageerde A. als volgt. “Ik heb me helemaal nooit aan vrouwelijke wiskundigen of wetenschappers gespiegeld. Er waren zo geen rolmodellen in mijn leven. Maar door er nu over na te denken, viel opeens het kwartje: mijn moeder stond thuis aan het hoofd van een boerderij. Dat was heel ongebruikelijk; alle andere boerderijen in de omtrek werden door de man van het gezin gerund, maar mijn vader ging gewoon naar kantoor. Ik had dus wel een sterk vrouwelijk rolmodel in mijn leven: mijn moeder. En al was zij helemaal niet geïnteresseerd in wiskunde, zij heeft me getoond dat je als vrouw eender welk beroep kunt doen. Wat gek dat ik dat nu pas besef.”

Bij mij viel het kwartje nog iets later: pas toen A. dit vertelde, besefte ik dat ik een soortgelijke situatie zat. Heeft mijn moeder me niet altijd verteld dat ze als enige vrouw op de bus naar de Ford-fabriek zat? Dat ze er ook bandleidster was? Toch niet slecht voor een ongeschoolde arbeidster… Als ze me iets heeft getoond, is het dus wel dat je als vrouw eender in welke sector kunt gaan werken en er de broek kunt dragen (ook letterlijk trouwens). Mijn moeder heeft niet mogen studeren. Als ze dat wel had gemogen, was ze verpleegster of stewardess willen worden, zegt ze. Typisch zachte beroepen uit overwegend vrouwelijke sectoren dus. Maar je studiekeuze hangt ook af van je voorkennis. Toen ik dertien was – de leeftijd waarop mijn moeder uit moest gaan werken – wist ik nog niet eens wat fysica was, laat staan dat ik het had willen gaan studeren. Mijn moeder is ongeschoold, ze heeft dus zelfs geen snit-en-naad gehad, maar toch heeft ze zichzelf geleerd om patronen te tekenen. Ze kan van helemaal niets iets maken. Is dat niet wat ingenieurs ook doen? Ze kan een ingewikkeld haakwerk reverse engineeren en het dus zonder patroon namaken (en ondertussen zelfs een beetje verbeteren). Is het herkennen van patronen niet iets wat typisch met wiskunde en wetenschappen wordt geassocieerd? Waarom heet het techniek als het met kabeltjes of bouten is, maar huisvlijt als het met stof en draad is?

Ik weet het best: mijn moeder zal lachen als ze dit leest. “Het is toch maar een handwerkje, wat jij doet is toch iets helemaal anders?” zal ze zeggen. Vergelijken is sowieso niet fair, want ik ben wél naar school mogen gaan en daarna naar de universiteit. Ik ben mijn ouders hier heel dankbaar voor. Ook mijn vader wist wat het was om wel te willen maar niet te mogen verder studeren. Zijn vader stierf en in een gezin van zes kinderen betekent dat: gaan werken of verhongeren. Hij heeft nog wel een diploma als elektricien kunnen behalen bij het leger, maar aan de universiteit studeren zat er financieel niet meer in.

Hoe zat het met de moeder van Ada Lovelace? Ook zij was een sterke vrouw. Annabella Milbanke (en later barones Wentworth) heette ze en ze verliet haar man, de dichter Lord Byron, om alleen voor Ada te zorgen vanaf dat het meisje één maand oud was. Ada’s moeder wou te allen prijze verhinderen dat het meisje dezelfde weg op zou gaan als haar waanzinnige (volgens Annabella) vader. Geen poëzie dus voor Ada, maar een stevige opleiding in de wiskunde.

In die zin was ik beter af dan Ada: ik mocht studeren wat ik maar wou; er was thuis geen specifiek vooroordeel voor of tegen STEM-vakken. Poëzie of fysica? Dat mocht ik volledig zelf kiezen. Het geldt voor alle keuzes en voor alle minderheden: gewoon zelf mogen kiezen is het allerbeste. Maar om te kunnen kiezen moet je wel kansen krijgen. Omdat ik vind dat elk kind naar school moet kunnen gaan, stel ik voor om deze Ada-Lovelace-dag te vieren met een storting voor Unicef (ze hebben diverse projecten rond onderwijs en gender-evenwicht).

[De citaten in dit stukje zijn met een korrel zout te nemen: de zomerschool is al een tijdje geleden en de voertaal was er Engels. De kans dat de deelnemers dit letterlijk zo hebben gezegd is dus exact nul. Ook is autobiografische informatie notoir onbetrouwbaar; ik kan alleen maar schrijven wat ik denk te weten.]

Aan de wieg van Marie Curie

Maria Sklodowska Curie werd meer dan een eeuw geleden geboren in Warschau.Het is september en dat betekent congresmaand op planeet Academia: de onderzoekers zijn terug uit vakantie, maar de lessen zijn nog niet begonnen aan de universiteit. Een ideaal moment dus om een conferentie te organiseren op een exotisch eiland of in een historische hoofdstad. Zodoende ben ik nu in de Poolse hoofdstad Warschau beland.

Warschau is vooral bekend van de Oost-Europese tegenhanger van de NAVO – het Warschaupact – en wordt zelden geassocieerd met gezellige terrasjes of mooie vakantieplaatjes. Zonder congres zou ik hier wellicht nooit naartoe zijn gekomen. Onbekend maakt onbemind en dat is jammer, want Warschau is zeker een bezoekje waard. Het centrum is weliswaar volledig gebombardeerd tijdens de Tweede Wereldoorlog, maar daar is anno 2011 helemaal niets meer van te merken. Het centrum van de oude stad is volledig heropgebouwd in de oorspronkelijke stijl, een verwezenlijking die “het wonder van Warschau” wordt genoemd. Het plein rond het beeldje van de zeemeermin uit het wapenschild van Warschau fungeert als een levendig centraal punt: een Poolse versie van de Gentse Korenmarkt. Even verderop heb je het koninklijk paleis, ook gelegen aan een prachtig plein (zie Figuur 1).

Hoewel Polen sinds 2004 tot de Europese Unie behoort, is de euro hier (nog) niet ingevoerd. Betalen doe je dus in de Poolse munteenheid: de złoty. De prijzen zijn hier lager dan in België, het eten is er even lekker en ze brouwen hier ook goed bier. Opschriften in het Pools zijn voor Nederlandstaligen vrij goed te begrijpen; de gesproken variant is zonder babelvisje niet te verstaan, maar tramchauffeurs en winkelbediendes praten een mondje Engels, dus grote problemen zijn er niet te verwachten. Een aanrader dus voor je volgende citytrip!

Nieuwe stad in Warschau.

Figuur 1: Het oude stadscentrum van Warschau heeft pleinen waar het heerlijk toeven is. Het koninklijk paleis werd vernietigd tijdens de Tweede Wereldoorlog, maar is volledig heropgebouwd.

Als fysicus is er nog een goede reden om Warschau te komen verkennen: hier stond immers de wieg van Marie Curie, al heette ze toen nog Maria Salomea Skłodowska. Meteen al bij de uitgang van het vliegveld hing er een affiche die vermeldt dat Maria Skłodowska-Curie hier in Warschau geboren werd. Op de affiche zit ze als een spookachtige verschijning in zwart-wit op een bankje in een full-color metrostation. Door het verschil in mode met een eeuw geleden lijkt het net of ze in nachtjapon zit en dan nog met zo’n grijs gezicht: ik vind het resultaat eerder griezelig dan wervend. Mijn excuses! Nog volgens de affiche zou 2011 het jaar van Maria Skłodowska-Curie zijn, maar waarom precies voor dit jaar gekozen werd, is me ook na een bezoek aan de bijbehorende website niet duidelijk.

Een plausibele verklaring is dat ze de honderste verjaardag van haar tweede Nobelprijs vieren, maar het zou dan toch slim zijn om dit even te vermelden… [Aanvulling: Het is niet enkel het jaar van Maria Skłodowska-Curie in Polen, 2011 werd ook door de Verenigde Naties uitgeroepen tot het Internationale jaar van de Chemie, iets dat volgens dit bericht en de officiële website ook gerelateerd is aan Curies Nobelprijs uit 1911.] In 1903 ging de Nobelprijs voor de Fysica voor de ene helft naar Henri Becquerel en voor de andere helft naar het echtpaar Pierre en Marie Curie. Marie Curies tweede Nobelprijs uit 1911 was die voor Chemie en stond enkel op haar naam. (Eerder schreef ik al dat de Franse Academie der Wetenschappen haar net voordien het lidmaatschap nog had ontzegd.) Marie Curie was de eerste persoon die twee Nobelprijzen mocht ontvangen en ze is nog steeds de enige laureaat ooit die de prijs voor twee verschillende wetenschappelijke disciplines kreeg toegekend. (De combinatie met de Nobelprijs voor de Vrede komt vaker voor.) Marie Curie was ook de eerste vrouw die een Nobelprijs in de Fysica kreeg; de tweede (en tot op heden laatste) vrouw die een Nobelprijs in de Fysica kreeg was Maria Goeppert-Mayer in 1963 (samen met Eugene Wigner en J. Hans D. Jensen). De teller voor Nobelprijzen aan vrouwen is voor Fysica sindsdien op twee blijven steken.

Maria Skłodowska werd geboren op 7 november 1867. Het is dus meer dan een eeuw te laat om op de suikerbonen te gaan. Toch namen we een kijkje in haar geboortehuis, want er is nu een museum dat haar leven en werk herdenkt. (Hun eigen website is enkel in het Pools beschikbaar, dus lang leve Wikipedia.) Bovenaan links in Figuur 2 zie je de gedenksteen die op de gevel van het geboortehuis aan de ulica Freta 16 (Freta straat) is aangebracht. Binnen in het museum vind je vooral reproducties van foto’s, documenten en apparatuur. Er is ook een stamboom aan de hand van foto’s (linksonder). Originele stukken zijn schaars, want veel is verloren gegaan tijdens de oorlog. Tijdens ons bezoek waren er wetenschappers aanwezig die de bezoekers iets meer uitleg gaven over radioactiviteit. Je kon er je eigen stralingsniveau meten, dat gelukkig onder de detectielimiet bleef. We kregen ook een ouderwets horloge met lichtgevende verf op de wijzerplaat om het te testen. Dit gaf wel een meetbaar resultaat, vanwege het door Pierre en Marie Curie ontdekte radioactieve element radium in de verf.

Ik vond het leuk om in het museum eens andere foto’s te zien van Marie Curie dan de twee officiële Nobelprijsfoto’s en de overbekende groepsfoto’s van diverse Solvay-conferenties, die vanaf 1911 in Brussel gehouden werden. Op haar trouwfoto (rechtsboven) glimlacht ze zelfs bijna! (Door te vergelijken met de fotogalerij van de Nobelprijs-website heb ik ontdekt dat deze versie van de foto die in het museum hangt blijkbaar gespiegeld is.) De ouders van Maria Skłodowska bleven niet lang aan de Freta straat wonen, maar verhuisden naar Nowolipki. Ter ere van het Marie-Curie-jaar werd er een muurschildering gemaakt op de blinde gevel van het appartementsgebouw dat daar nu staat (rechtsonder).

Herinneringen aan Maria Sklodowska Curie in Warschau.

Figuur 2: Herinneringen aan Maria Skłodowska-Curie in Warschau aan haar geboortehuis in de Freta straat en aan de Nowolipki waar het gezin daarna woonde.

Zoals je op de stamboom kunt zien, kwam Marie Curie uit een gezin van vijf kinderen. Haar ouders waren beiden leerkracht. Haar oudste zus en moeder stierven voor Marie twaalf was. Het was haar vader die haar wiskunde, fysica en talen leerde. Tot haar vijftiende volgde ze lager-secundair onderwijs aan een staatsschool. Als vrouw kon Marie Curie geen vervolgopleiding volgen aan een reguliere universiteit in het door Rusland gecontroleerde Warschau van weleer. Ze volgde wel les aan de ondergronds georganiseerde “Vliegende universiteit” van Warschau. Ze gaf zelf ook les: ze nam een baan als gouvernante om de artsenstudie van haar zus Bronisława in Parijs te helpen betalen; de afspraak was dat deze zus haar nadien ook financieel zou helpen om naar Parijs te gaan. In Warschau deed ze haar eerste ervaring op in een laboratorium voor fysica en chemie.

Vanaf haar vierentwintigste, in 1891, verhuisde ze naar Frankrijk, waar ze wel openlijk kon studeren. Ze studeerde aan de Sorbonne af in de fysica in 1893 en in de wiskunde in 1894. In datzelfde jaar leerde ze Pierre Curie kennen via haar werk en de twee wetenschappers trouwden in 1895. Het echtpaar zou twee dochters krijgen: Irène (in 1897) en Ève (in 1904).

Marie Curies doctoraatsthesis uit 1903 handelt over het radioactive element radium, dat ze in 1902 had weten te isoleren. Hoewel Marie Curie het werk waarvoor ze zo beroemd is geworden in Parijs uitvoerde, bleef ze toch heel haar leven een dochter van Polen. Ze wees op het belang van de vooropleiding die ze hier kreeg en hield van de Poolse natuur (volgense deze korte biografie). Ze keerde dan ook geregeld naar haar geboorteland terug. Bovendien vernoemde ze één van de twee door haar ontdekte elementen naar haar geboorteland en zo kennen wij het element met atoomnummer 84 nu nog steeds als ‘polonium‘.

Ook in Polen is men terecht trots op deze wereldberoemde landgenoot. Toch is er nog wel wat werk aan de winkel. Marie Curie kreeg een eredoctoraat van de technische universiteit van Warschau (Politechnika Warszawska), die dit gedenkt met een levensgroot standbeeld in een nis van het plechtstatige hoofdgebouw. Tot zo ver niets aan de hand. Wat gebeurt er echter als de Material Research Society (MRS) haar Europese herfstcongres houdt in ditzelfde gebouw? Juist, dan zetten ze een zuil met eigen reclame voor dat beeld (Figuur 3). Tragikomisch detail: door de pose waarin het beeld van Marie Curie staat (met de rechterhand opgeheven) lijkt het net alsof ze tevergeefs vanachter het reclamepaneel tracht te ontsnappen. En dat in het jaar van Maria Skłodowska-Curie… Ga je schamen, MRS! Anderzijds zei ze (volgens de biografie door haar dochter) geregeld tegen journalisten dat we in de wetenschap meer geïnteresseerd moeten zijn in ideeën, niet in mensen. Dus misschien is dit wel het ultieme eerbetoon aan Marie Curie: ze wordt al door zoveel instanties voor hun kar gespannen, laat nu de wetenschap maar weer op de voorgrond staan.

Marie Curie in de vergeethoek?

Figuur 3: Uitgerekend in haar geboortestad Warschau en in haar herdenkingsjaar zetten ze een reclamepaneel voor het beeld van de bekendste fysica ter wereld.

In het academiejaar 2008-2009 gaf ik een cursus Stralingsbescherming aan de Universiteit Hasselt. Het begon met een inleiding over de fysische basis van verschillende vormen van ioniserende straling (bekend onder de oude benamingen: alfa, bèta en gamma) en natuurlijke en kunstmatige bronnen van radioactiviteit. De nadruk lag echter op de biologische effecten van ioniserende straling, de methodes waarmee je deze straling kunt meten en hoe je de straling kunt afschermen. De grondregel van stralingsbescherming is het ALARA-principe, wat staat voor ‘As Low As Reasonably Achievable’ of ‘zo weinig als redelijkerwijze haalbaar’. Op het moment dat Marie Curie haar baanbrekende onderzoek verrichtte, was er echter nog zo weinig over radioactiviteit bekend (het verschijnsel had zelfs nog geen naam, Marie Curie heeft het ‘radioactiviteit’ genoemd), dat de gevolgen op de gezondheid volledig onbekend waren. Marie Curie bewaarde de stalen in haar bureaulade en merkte op hoe mooi het materiaal blauwgroen scheen in het donker… Van ALARA was geen sprake. Marie Curie en haar dochter Irène, die met haar samenwerkte, ontwikkelden beiden leukemie. Hoewel de gezondheidseffecten van straling niet deterministisch maar statistisch van aard zijn, lijkt het in hun geval nagenoeg zeker dat de ziekte aan het werk met stralingsbronnen te wijten was. Marie stierf in 1934 aan de gevolgen van bloedarmoede. Na Maries dood kregen Irène Joliot-Curie en haar man Frédéric Joliot de Nobelprijs in de Chemie van 1935 voor de synthese van nieuwe radioactieve elementen. Ève Curie schreef haar moeders biografie “Madame Curie”, die in 1937 verscheen.

Het werk dat Marie Curie het leven kostte, heeft ook vele levens gered. Tijdens de Eerste Wereldoorlog leverde ze de radioactieve bronnen voor mobiele medische installaties voor het maken van röntgenfoto’s die in Frankrijk en België werden ingezet. Ze reed ook zelf met de busjes, die “petites curies” werden genoemd, en leidde haar achtienjarige dochter Irène op om hetzelfde te doen. (Het was in die tijd niet gebruikelijk dat een vrouw een rijbewijs had, maar in vergelijking met hun andere prestaties is dit slechts een voetnoot.) Tegenwoordig wordt ioniserende straling in ziekenhuizen natuurlijk ook gebruikt om tumoren te bestrijden.

Over de medische toepassingen van radioactiviteit zei Maria Skłodowska-Curie later tijdens een lezing in de Verenigde Staten in 1921 (door mij vertaald van Wikiquote):

“We mogen niet vergeten dat toen radium ontdekt werd niemand wist dat het nuttig zou blijken in ziekenhuizen. Het was een puur wetenschappelijk onderzoek. En dit is een bewijs dat wetenschappelijk werk niet beschouwd moet worden vanuit het oogpunt van het directe nut ervan. Het moet gedaan worden omwille van zichzelf, omwille van de schoonheid van de wetenschap en dan is er altijd een kans dat een wetenschappelijke ontdekking net zoals het radium een zegen voor de mensheid zal worden.”

En ook met deze uitspraak was Marie Curie me een kleine eeuw te snel af.

Een kopje fysica

Ik heb mijn koffie het liefst met suiker en fysica. Bron: http://luke-b.deviantart.com/art/Coffee-Physics-22284243.In mijn vorige post schreef ik over druppels die op het oppervlak van dezelfde soort vloeistof blijven drijven. Vandaag probeer ik dit fenomeen te verklaren aan de hand van fysica. Een allesomvattende verklaring heb ik niet – dus aanvullingen of verbeteringen zijn altijd welkom! -, maar een aantal aspecten zijn me wel al duidelijk geworden.

Een eerste element van de verklaring is oppervlaktespanning. Zuiver water heeft een hoge oppervlaktespanning: de vloeistof probeert haar contactoppervlak met de omgevende lucht zo klein mogelijk te maken. Daardoor valt regen als nagenoeg bolronde druppels uit de lucht en niet als platte schijfjes, ringetjes of andere leuke vormen. Door detergent bij het water te voegen verlaag je de oppervlaktespanning van water. Daarom kun je wel zeepbellen blazen, maar geen waterbellen. Ook de toevoeging van andere vloeistoffen, zoals koffie of melk, heeft een verlagend effect op de oppervlaktespanning van water. In het druppelexperiment treedt er zowel oppervlaktespanning op aan het oppervlak van het grootste volume vloeistof als bij dat van het drijvende druppeltje. Deze effecten lijken elkaar tegen te werken: een hoge oppervlaktespanning zorgt ervoor dat het onderste vloeistofoppervlak meer gewicht kan dragen zonder te barsten, maar ook dat er slechts zeer kleine druppels gevormd kunnen worden. Vice versa voor lage oppervlaktespanning. Het slagen van het druppelexperiment lijkt dus een gouden middenwaarde te vereisen qua oppervlaktespanning.

Een tweede cruciaal element is de beweging van de onderstaande vloeistof. Als je de onderstaande vloeistof stilstaat en je er slechts één druppel op laat vallen, zal die niet blijven drijven. Het komt erop aan om de druppels met een goede frequentie te laten vallen. Hierdoor wordt het oppervlak van de onderstaande vloeistof aan het trillen gebracht, ook met een vaste frequentie. De heen-en-weer-gaande beweging van de vloeistof zorgt ervoor dat er een beetje lucht wordt meegesleept. Het is op dit laagje van vers aangevoerde lucht dat het druppeltje kan blijven liggen. De druppeltjes drijven dus eigenlijk niet op de vloeistof, maar zweven er net iets boven.

Een derde element is de hoogte van waarop je de druppels laat vallen. Als je dit te hoog doet, gaat de druppel onder in de vloeistof. Daarbij ontstaat er een soort kroon van terugspattende druppels, die in beeld gebracht kunnen worden met een hogesnelheidscamera. Dit levert prachtige resultaten op, maar het is niet het effect waarover ik het nu wou hebben.

Met een lepeltje is het moeilijk om de frequentie, de valhoogte en de grootte van de druppels te regelen, maar een eenvoudige opstelling met een regelbare pomp zou soelaas kunnen brengen.

Tot nu toe heb ik geen systematische experimenten gedaan met een thermometer, maar het lijkt erop dat ook de temperatuur van de vloeistoffen een grote rol speelt. Bij pure koffie lijken de druppels enkel te drijven op een hoge temperatuur (zoals in de koffiezet), maar als je de oppervlaktespanning met melk heb verlaagd, begint het pas te lukken wanneer de koffie voldoende is afgekoeld. De temperatuur heeft ook een invloed op de oppervlaktespanning, dus of dit een onafhankelijke parameter is, is lang niet zeker.

In het geval van de koffiezet speelt ook het Marangoni-effect een rol net als bij de ‘tranen’ van wijn, maar bij koffie wordt het effect veroorzaakt door temperatuurverschillen in plaats van door het verdampen van alcohol: de stomende druppels vallen op koffie die al een beetje is afgekoeld. Hierdoor is er een verschil in oppervlaktespanning en dit heeft een gunstig effect op de aanvoer van verse lucht (Figuur 1). Deze situatie lijkt op het Leidenfrost-effect, waarbij druppels op een hete bakplaat lijken te dansen; ook daarbij zweven de druppels op een dun laagje lucht.

Marangoni-effect

Figuur 1: In een koffiezetapparaat draagt thermische Marangoni-convectie bij aan het in stand houden van de drijvende druppels. De oppervlaktespanning van de dampend hete druppels is lager dan die van de iets minder warme koffie in de pot. De tegengestelde beweging van vloeistof aan het oppervlak zorgt voor aanvoer van verse lucht, waarop de druppel kan drijven. Bron: https://people.ifm.liu.se/boser/surfacemodes/solution050810.pdf

Het leuke aan het bekijken van deze druppels is de variatie. Minuscule druppeltjes stuiteren zeer snel in het rond. Doordat ze op een luchtlaagje zweven, bewegen ze haast wrijvingsloos. En als ze botsen, zie je impulsbehoud in actie, net als bij biljart. Aan de andere kant is het leuk om zeer grote, platte druppels te zien. Deze liggen haast bewegingsloos en slokken zo nu en dan een kleinere druppel op. Door hun grootte en levensduur hebben ze iets onwerkelijks. (Grote druppels kun je het gemakkelijkste maken met vloeibaar wasmiddel: als je de maatdop rustig vult, wordt de drijvende druppel gemakkelijk meer dan een centimeter breed.)

Dat het weldegelijk om (volle) druppels gaat en niet om (holle) bubbels, kun je duidelijk zien: bubbels gaan continu over in het vloeistofoppervlak, waardoor dit oppervlak omhoog kromt, terwijl druppels op het oppervlak drijven, waardoor dit een beetje naar beneden indeukt (Figuur 2). Nog duidelijker is het als een druppel in de richting van een bubbel beweegt: door het verschil in kromming, lijken de twee elkaar af te stoten. Bubbels onderling bewegen naar elkaar toe en vormen zo schuim. Als ze geen te hoge beginsnelheid hebben, gaan ook druppels samen zitten, in een gemeenschappelijk kuiltje. Soms combineren ze dan tot een grote superbubbel.

Bubbel en druppel.

Figuur 2: Door de schaduw zie je duidelijk dat de bubbel (onderaan links) het koffieoppervlak omhoog buigt, terwijl de druppel (bovenaan rechts) het oppervlak indeukt.

Ik vraag me af hoeveel mensen deze druppeltjes spontaan herontdekt hebben. In elk geval was ik niet de eerste: in 1979 schreef Jearl Walker in de rubriek “The Amateur Scientist” van American Scientist er een artikel over: “Drops of liquid can be made to float on the liquid. What enables them to do so?” Ook hij wijst op het belang van het trillen van het vloeistofbad en maakte een opstelling waarbij de frequentie van de trilling ingesteld kon worden (door middel van een luidspreker).

Het bestuderen van het effect is echter geenzins beperkt tot amateurwetenschappers. Ik had er vijf jaar geleden misschien beter zelf een artikel over geschreven, want in tussentijd zijn er al heel wat studies over verschenen! Ondermeer aan de universiteit van Luik wordt er onderzoek naar gedaan (publicatie 1 en 2), maar zij zijn beslist niet de enige (publicatie 3 en 4). Dit onderwerp leent zich ook prima voor een leuk project voor fysicastudenten.

Als je barista ook fysicus is, tja, dan krijg je dit.Fysici zijn dol op druppels: je kunt ze niet alleen gebruiken om materialen mee te karakteriseren (deze techniek, contacthoekmeting, heb ik toegepast in mijn eigen onderzoek), maar je kunt ze zelfs vanop afstand besturen (met behulp van trillingen). Ook koffie leent zich tot verder natuurkundig onderzoek. Eén van mijn collega’s kreeg op haar solliciatiegesprek de vraag waarom koffie die karakteristieke randen achterlaat (in plaats van homogeen op te drogen); van dit effect bestaan intrigerende filmpjes. Als je een fysicus die ook barista is interviewt, krijg je te horen waarom koffie donker is en melk wit. En natuurlijk kun je wetenschap gebruiken om uit te zoeken waar de smaak en het aroma van koffie vandaan komen.

Wiskundigen blijken machines te zijn die koffie omzetten in stellingen (volgens Rényi), maar als je aan een wiskundige vraagt of hij koffie of thee wil, zegt hij ‘ja’. (Hier maak ik me ook wel eens schuldig aan. Hoewel dit een nutteloos antwoord lijkt, zit er toch veel informatie in: ja, ik wil iets drinken en het is geen limonade, icetea of vodka.) Ik schreef al dat filosofen graag koffie drinken. Nu blijken ook fysici grote afnemers. Toch is er een verschil: in tegenstelling tot de fysicus zal de filosoof nooit of te nimmer een scheutje Dreft in de koffie doen, gewoon om eens te testen of de druppels dan nóg groter worden… (Het antwoord is ‘nee’.)

Voor mij nog een kopje koffie, alstublieft, want op het vorige staat te veel schuim.

Zwevende druppels

Koffie kan op koffie drijven.Ga er maar even rustig voor zitten, neem een kopje koffie en geniet van deze post waarin alles kan: koffiekan, theekan en koffie kan op koffie drijven.

In een ouderwets koffiezetapparaat zie je soms wonderlijke taferelen. Een dans van druppeltjes. Sommige druppels koffie weigeren om kopje onder te gaan, maar blijven koppig drijven op het oppervlak. Sommige druppels overleven het secondelang – lang genoeg om tegen de rand van de koffiepot aan te stuiteren en daarop terug te kaatsen, of tegen andere druppels te botsen. Bij nader inzien is het geen dans, maar biljart. Als je geen idee hebt waarover ik het heb, bekijk dan onderstaand filmpje. Voor alle duidelijkheid: het gaat om de druppels (100% koffie), niet om belletjes of schuim (dun laagje koffie gevuld met lucht).

Het filmpje is geen topkwaliteit, maar je kunt het spektakel live zien in je eigen keuken. Als je geen ouderwetse koffiezet hebt, kun je proberen om in een kopje koffie met melk druppels op te lepelen, zoals in het tweede filmpje.

Zelfs op icetea kun je druppels laten drijven: neem een plastic fles en tik tegen de rand op de hoogte van het vloeistofoppervlak. Gebruik een merk dat niet te sterk bruist, anders maak je enkel schuim.

Als je er eenmaal op begint te letten, dan zie je dit effect plots overal. Mij zijn de drijvende koffiedruppels zo’n jaar of vijf geleden voor het eerst opgevallen, maar ik ben nog steeds even enthousiast als ik het in een andere vorm zie opduiken. In mijn stukje over beroepsmisvorming vermeldde ik al dat afwassen voor een fysica zoals ik geen straf is: het schuim is interessant om naar te kijken en zelfs het geluid van de zachtjes afbrekende schuimlaag is een streling voor het oor. Maar ook tussen het schuim is er heel wat te zien: onderstaand filmpje toont hoe ook druppels afwaswater voor korte tijd op het oppervlak van het water in de bak kunnen drijven. Vaak botsen ze tegen de schuimlaag aan de rand of tegen elkaar.

(Als je erin slaagt om de effecten van schuim en magnetisme te mengen, dan wordt het pas echt exotisch mooi!)

Deze afzonderlijke waarnemingen smeken om een gemeenschappelijke, fysische verklaring. Waarom lukt het niet met zuiver water (tenzij misschien in Tibetaanse klankschalen), maar wel met afwaswater, ice tea en koffie? Waarom lukt het niet met koude zwarte koffie, maar wel met koude koffie-verkeerd? Volgende keer probeer ik op deze vragen te antwoorden.

Beroepsmisvorming

In bomen zitten is een eigenaardige gewoonte.Het leek wel een sprookje: een jonge vrouw vertelde hoe fijn ze het vond om in bomen te klimmen. Eigenlijk was ze daar al iets te oud voor, maar gelukkig vond ze een leuke jongen die ook graag in bomen zat. Dit is het eerste fragment dat ik ooit zag van een BBC3-reeks die “Freak like me” bleek te heten. Op YouTube zijn er andere fragmenten van te bekijken over mensen en de rare gewoontes die ze erop nahouden. De Nederlandse omroep maakte dit jaar een eigen versie, “Van de gekke“, maar die heb ik (nog) niet bekeken.

Aan deze reeks moest ik weer denken toen ik op Tales of the crib Liliths lijstje met rare gewoontes las. Ik vind het heerlijk om over andermans gekte te horen, maar ik moet bekennen: zelf heb ik ook een paar vreemde gewoontes. Zo vind ik het leuk om met pauwen te praten: als ik ‘peyó’ of ‘perú’ roep, dan roepen ze terug, echt waar! Ook geef ik de auto een schouderklopje (of eigenlijk een dashbordklopje) als hij me zonder sputteren door een benarde verkeerssituatie heeft geholpen – dat heb ik van vriendin H. overgenomen.

Andere rare gewoontes situeren zich in de categorie “beroepsmisvorming”. Als ik een gebouw zie waarvan de balkonnen uitsteken in de vorm van “\exists” (de existentiekwantor uit de logica, te lezen als “er bestaat”), dan is mijn dag goed. Ik heb mijn blauwe Olympus compactcamera altijd bij me en kom geregeld thuis met foto’s zoals die in de collage hieronder.

Beroepsmisvorming.

Op en rond het Sint-Pietersplein in Gent zijn er tal van logische en wiskundige symbolen te vinden, zoals epsilon, de existentiële quantor, pi en verwijzingen naar oneindig.

Omdat ik zowel fysicus als filosoof ben, betaal ik de tol van beroepsafwijkingen dubbel. Ik staar al eens iets te lang naar het schuim in de afwasbak, want de fysicus in mij is verzot op oppervlaktespanning en diffractiekleuren. Maar ook filosofen hebben allerlei typische afwijkingen; er bestaat zelfs een zelfhulpblog voor partners van filosofen.

Met een klein briefje kun je het leven redden van een filosoof.Eten blijkt een centraal probleem voor filosofen: we vergeten het en hebben dus iemand nodig om ons daaraan te helpen herinneren. Tegen dat ik door heb dat ik moet eten, ben ik niet meer in staat om zelf iets te koken. Hoe deze overduidelijke fabricagefout toch door de mazen van de evolutie is kunnen sluipen, is mij een raadsel! Ik ben dan ook zeer dankbaar dat mijn vriend voor me kookt.

Dat filosofen vergeten te eten, dat komt door Plato. Volgens Plato was het lichaam een last – “een bron van eindeloze moeilijkheden” – iets dat een filosoof voortdurend afleidt van zijn taak. Als je mij niet gelooft, dan moet je het maar eens aan Bertrand Russell vragen. Nu ja, de man is dood, dus bellen heeft geen zin, maar sla er gerust zijn Geschiedenis van de Westerse filosofie eens op na (op p. 137 in de vertaling door Rob Limburg):

Ik heb vele filosofen gekend, die vergaten te eten, en dan nog bleven lezen, wanneer zij eindelijk aten. Deze mensen handelden in de geest van Plato: zij onthielden zich niet door een speciale zedelijke inspanning, maar interesseerden zich nu eenmaal meer voor andere dingen.

Als je in de tekst “lichaam” vervangt door “internet” en “lezen” door “surfen”, dan klopt de uitleg ook voor vele niet-filosofen, volgens mij. ;-) Iets verder, op dezelfde pagina, staat er nog een grappig stukje:

Blijkbaar moest de filosoof op dezelfde afwezige manier trouwen en kinderen verwekken en grootbrengen, maar sinds de emancipatie van de vrouw gaat dit zo gemakkelijk niet meer. Geen wonder dat Xantippe een helleveeg was.

(Xantippe was de tweede vrouw van Socrates, die met lede ogen moest aanzien hoe haar man niets nuttigs bijdroeg aan het dagelijkse leven.) Die Russell toch, de schavuit.

Veel filosofen drinken te veel koffie. (Dat komt niet door Plato, maar door de cafeïne.) Deze verslaving heeft weinig vat op mij, maar ik hou erg van een koekje in de namiddag en meestal maak ik daar dan wel koffie bij. Soms ben ik nog zo aan het nadenken, dat ik wel de waterkoker aanzet, maar het water te vroeg op de koffie giet, zodat ik een lauwe vieze brij bekom en opnieuw moet beginnen. “Verstrooid ben je al, nu alleen nog professor worden”, zegt mijn moeder als ik haar zoiets vertel.

Beroepsziekte voor filosofen: papiersnee, in het oog.Tijdens mijn jaren in de materiaalfysica heb ik nooit een ongeluk meegemaakt in het labo. Een hele opluchting, want waterstoffluoride – om maar iets te noemen – is eng spul. Echte beroepsziekten zijn er gelukkig niet verbonden aan het filosofenbestaan, tenzij de kwalen die eigen zijn aan alle zittende beroepen, zou je denken. Toch ben ik tijdens het schrijven van mijn doctoraat naar de dokter moeten gaan voor een arbeidsongeval: een papiersnee… in mijn oog! Eerst dacht ik nog dat mijn oog gewoon geïrriteerd was, maar toen ik eindelijk weer iets kon zien, bleek dat ik dubbel zag, door één oog. Volgens de optica kan dat niet met een bolle lens, maar je moet geen fysicus zijn om te weten dat er dan iets mis is. En ja, er bleek een sneetje te zitten in mijn ooglens. Na een week was het wondje mooi geheeld en sindsdien heb ik om dubbel te zien gewoon weer beide ogen nodig. Oef!

Het moet het toppunt van verstrooidheid zijn: met de hoek van een blad in je eigen oog prikken. Ik ken echt niemand die al ooit zoiets doms heeft gedaan, dacht ik nog, maar toen ik het voorval aan mijn moeder vertelde, zei ze: “O, dat heb je als kind ook eens gehad”.

Let’s get metaphysical

Alle songteksten van The 21st Century Monads gaan over filosofie.Welkom bij een nieuwe aflevering, waarin Sylvia haar angst voor metafysica overwint. Om in de gepaste sfeer te komen voor dit bericht kun je zachtjes “Let’s get metaphysical” meeneuriën op de tonen van Olivia Newton-Johns “Let’s get physical”. Als alternatief kun je ook “We Can’t Stop Doing Metaphysics” van The 21st Century Monads als achtergrondmuziek opzetten.

Als fysicus boezemt het idee om over metafysica na te denken – laat staan om er publiekelijk over te praten of over te schrijven – me een zekere angst in. Rubriceer het gerust onder angst voor het onbekende, want het is me niet duidelijk wat dat precies is, metafysica. Enerzijds zweemt het naar speculaties en onwetenschappelijk gezwets, iets waar ik als wetenschapper niet mee geassocieerd wil worden. Anderzijds echter is het een klassieke tak van de wijsbegeerte, iets waar ik als wetenschapsfilosoof maar wat graag een mondje over wil kunnen meepraten. Gemengde gevoelens dus.

Hoewel ik nu al bijna twee jaar aan een filosofische faculteit werk, bleef ik toch mooi binnen een domein dat ook voor de meeste natuurwetenschappers aanvaardbaar is. Fysica behelst meten, rekenen en kritisch nadenken. Welnu, ik ben na mijn overstap van de fysica naar de filosofie weliswaar gestopt met meten, maar ik bleef kritisch denken en daarbij ook wiskunde gebruiken. Binnen de grondslagen van de kansrekening en de epistemologie voelde ik me veilig.

Toch moest het er op een dag van komen dat ik naar een congres over metafysica zou gaan. Vorige week woensdag en donderdag was het zo ver: ik trok naar de Blandijn in Gent voor twee dagen vol lezingen over fysica en metafysica in de negentiende eeuw. Bij de behandeling van een fobie wordt er meestal in kleine stapjes gewerkt. In het kader van mijn systematische desensitisatie voor metafysica ging ik dus niet meteen zelf aan de slag met metafysische argumenten. Zoals de arachnofoob eerst de confrontatie met een plastic spin moet aangaan, koos ik een congres met historische invalshoek uit als verzachtende omstandigheid: de sprekers verdedigen er niet hun eigen metafysische theorieën, maar proberen enkel die van een historische wetenschapper en/of wetenschapsfilosoof uit de doeken te doen.

Deze houtsnede uit 1888, van de Fransman Flammarion, wordt vaak gebruikt om het begrip metafysica te illustreren: de zoektocht naar de werkelijkheid achter de wereld.

Nadenken over wat filosofie eigenlijk is, vormt een integraal onderdeel van de filosofie. Het hoeft dan ook niet te verbazen dat ook de sprekers op het congres geen pasklaar antwoord hadden op de vraag “Wat is metafysica?” – ondermeer omdat de term zo veel betekenissen heeft. Deze betekenis is in de loop der tijd veranderd, maar lijkt bovendien van persoon tot persoon te variëren. Aangezien ik niet van gedichten over poëzie hou, ga ik hier ook niet aan meta-metafysische haarkloverij doen. Liever geef ik een benaderende definitie van het begrip.

Metafysica betekent letterlijk ‘voorbij de fysica’. Het woord werd oorspronkelijk gebruikt om die werken van Aristoteles aan te duiden, die na zijn hoofdstukken over fysica komen. In de filosofie bedoelt men er nu theorieën mee die verder gaan dan de fysica, die iets zeggen over de werkelijkheid achter de fysische wereld. Hoewel deze theorieën dus haast per definitie onwetenschappelijk zijn, hoeven ze niet onzinning te zijn. In tegendeel, het doen van wetenschap veronderstelt dat wij de wereld kunnen leren kennen en begrijpen – op zich een buiten-wetenschappelijke aanname.

Fysica en metafysica zijn nauwer met elkaar verwant dan veel natuurkundigen (willen) beseffen. Zo wordt er in een cursus over fysica vaak gesproken over causaliteit, zonder dat dit begrip zelf ter discussie staat. De aanname dat de wet van oorzaak en gevolg opgaat in de fysische wereld is oorspronkelijk metafysisch van aard, hoewel er in het kader van de moderne fysica wel experimenten gedaan kunnen worden die hier iets over zeggen. Als voorbeeld denk ik daarbij aan het experimenteel weerleggen van de Bell-ongelijkheden in de kwantumfysica; dergelijke experimenten zijn (terecht) van doorslaggevend belang in de natuurwetenschap, maar ze zeggen niet alles. Er blijft dus ruimte voor filosofie.

Eerder dit jaar verklaarde Stephen Hawking niet te geloven in een leven na dood en ja, als hij dat zegt, dan komt dat in de krant. Minder aandacht hadden de media voor het feit dat Hawking samen met religie ook de filosofie afwimpelde; in deze analyse op BBC hoor je er een fragment van. Filosofen reageerden not amused, maar voor mij kwam Hawkings opvatting niet als een verrassing: heel wat natuurwetenschappers zijn immers van mening dat je je niet moet bezighouden met filosofie. De standaardinterpretatie van de kwantummechanica is hier een voorbeeld van: zij zegt hoe je het formalisme moet gebruiken, maar uitdrukkelijk niet wat de theorie betekent. (De standaardinterpetatie wordt ook wel de Kopenhaagse interpretatie genoemd, vanwege het belang van Niels Bohr die in Kopenhagen werkte.) De wetenschappers wrijven in hun handen: “Zo, die discussie is van de baan en nu terug naar het labo.” (Het kan ook “het krijtbord” of “de computer” zijn.) Filosofen echter zullen opmerken dat deze puur instrumentalistische houding ten aanzien van wetenschappelijke theorieën ook een filosofie is. In de metafysica geldt: niet kiezen is ook kiezen.

Sommige fysici doen wel een poging om mee te filosoferen, maar ook zij krijgen een veeg uit de pan van de filosofen. Eén misstap in het metafysische moeras en je geloofwaardigheid als fysicus is voorgoed verloren. Maar een misstap in de andere richting en je geloofwaardigheid als filosoof is eraan… Ik hou mijn hart vast en hoop deze valkuilen hier te ontwijken.

Portret van J.J. Thomson, de ontdekker van het elektron.Op het congres passeerden bekende wetenschappers uit de negentiende eeuw de revue. Zo sprak Erik Banks over Mach (in een cursus over relativiteit hebben we ooit zijn kritiek op Newtons gedachte-experiment met de draaiende emmer water besproken), Jordi Cat over Maxwell (ja, die van de vier vergelijkingen voor het elektromagnetisme) en Jaume Navarro over J.J. Thomson (de ontdekker van het elektron, waarover zo dadelijk meer).

De presentatie van Daniel Mitchell was ook heel boeiend: hij onderzoekt hoe en wanneer klassieke fysica het label “klassiek” heeft meegekregen. Daarbij kwam ondermeer de ether-theorie ter sprake. Tot het einde van de negentiende, begin twintigste eeuw werd gedacht dat elektromagnetische golven, zoals licht, een medium nodig hebben, net zoals geluidsgolven zich enkel kunnen voortplanten door een medium (een gas, vloeistof, of vaste stof); dit hypothetische medium voor licht werd “ether” genoemd. Hoewel de ether-hypothese intussen verworpen is, wordt het woord nog steeds gebruikt in de context van radiogolven. (Voor alle duidelijkheid: radiogolven zijn de elektromagnetische golven die van de zender naar de antenne van je radio gezonden worden, dus niet de geluidsgolven die uit de luidsprekers komen).

In 1887 voerden Michelson en Morley een experiment uit (op basis van interferentie van licht) waarmee ze het bestaan van ether wilden aantonen, maar hun experiment weerlegde juist de ether-hypothese. Althans, dat is de korte versie, zoals je die in de fysicales te horen krijgt. De geschiedenis blijkt iets subtieler: Michelson staakte zijn pogingen om het bestaan van ether te bewijzen inderdaad kort na dit experiment, maar Morley ging er nog mee door tot in de jaren 1950! Het was pas met het latere werk van Albert Einstein dat het ether-idee volledig verlaten werd. (Anderzijds was het geloof in het bestaan van ether ook voor het Michelson-Morley-experiment nooit algemeen verspreid.)

In het atoommodel van Thomson zitten de negatief geladen elektronen als krenten in het positief geladen deeg. Met deze achtergrond hoeft het ons niet te verbazen dat ook J.J. Thomson minstens tot in 1924 in ether geloofde, hoewel zijn ontdekking – het elektron – veel beter bij de kwantumtheorie lijkt te passen. Thomson stelde een eigen atoommodel voor: het krentenbolmodel (dat beter bekend is onder zijn Engelse naam: plum pudding model). In dit model zitten de negatief geladen elektronen verspreid over de positieve achtergrond van het atoom, als krenten in het deeg van een krentenbol. (In het latere atoommodel van Rutherford – Ernest Rutherford was een student van J.J. Thomson in Cambridge – zitten de positieve ladingen samengebald in de kern van het atoom en zweven de negatieve elektronen rond de kern.) Maar wat was dit positieve ‘deeg’ dan volgens Thomson? Een lage dichtheid van ether-massa! Ook de elektronen legde hij uit in termen van ether. De ontdekking van het elektron betekende dus geenzins de doodsteek voor de metafysische ether-theorie.

Minstens tot in 1924 heeft J.J. Thomson zich in het Engelse Cambridge weten te verschuilen voor de kwantumtheorie die in de rest van Europa dan al tot volle bloei was gekomen. Getuige hiervan is het artikel “A suggestion as to the Structure of Light” van Thomson dat in 1924 verscheen in Philosophical Magazine.  In zijn artikel probeert Thomson licht te verklaren aan de hand van structuren in… de ether. Hoewel het uitgangspunt fout is, vind ik het toch een heel mooie theorie (die me vaag aan supersnaren en zeker ook aan Feynmandiagrammen doet denken).

Thomsons model voor het uitzenden van licht door een H-atoom.

Thomsons model voor het uitzenden van licht door een H-atoom. Dit model is gebaseerd op ether, niet op kwantummechanica; ja, in 1924 nog!

Thomson vertrekt van een waterstof-atoom, dat hij voorstelt als een soort vezel (een Faraday tube) in de ether. Deze vezel heeft een positief uiteinde (“P”, het proton in de waterstof-kern) en een negatief uiteinde (“E”, het elektron van het waterstof-atoom). Dan maakt Thomson volgende redenering: als deze vezels fysisch echt bestaat, dan is er een limiet aan hoever ze kunnen plooien. Hij stelt zich voor dat de vezel tot een lus gebogen kan worden, maar als de spanning dan nog verder toeneemt, splitst er zich een gesloten lus van de oorspronkelijke vezel af. Deze afgesplitste, lusvormige vezel heeft geen vrije uiteindes en draagt dus geen lading: dit stelt een foton voor. Het proces, voorgesteld in de figuur hierboven, was Thomsons voorstelling van het uitzenden van licht; het omgekeerde proces, waarbij een gesloten lus op een vezel botst en erdoor opgenomen wordt, stelt absorptie van licht voor. (De figuur is overgenomen uit de presentatie van Jaume Navarro onderaan deze pagina.)

Uiteindelijk heeft het ethermodel voor licht de strijd verloren tegen de kwantumtheorie, die veel veelzijdiger bleek. Thomsons bezwaar tegen de kwantummechanica was dat zij ons geen  inzicht verschaft in de aard van haar belangrijkste concepten. Zo had de constante van Planck, h, geen fysisch model; “waar komt dit vandaan?” wou Thomson weten. Met zijn nadruk op wat de fysische basis was voor de gebruikte concepten stelde J.J. Thomson dus eigenlijk een metafysische vraag, maar daarop wilden de instrumentalistisch ingestelde kwantumpioniers niet antwoorden.

Hun stilzwijgen galmt nog altijd na in de fysica, maar als de wind goed zit kun je soms de geest van Thomson horen neuriën “Let’s get metaphysical“.

Fysica en filosofie: nu nog schattiger!

Dit uiltje staat niet enkel symbool voor de wijsheid, maar is ook heel schattig.Ik kan niet kiezen tussen fysica en filosofie. Onder het motto “het moet niet altijd even serieus zijn”, zoek ik vandaag uit welk van beide vakgebieden het schattigste is.

Wat betreft het aantal resultaten op Google wint de combinatie filosofie/wijsbegeerte + schattig het met 173 000 resultaten ruimschoots van de combinatie fysica/natuurkunde + schattig, die op 31 500 resultaten strandt (de overlappende resultaten telkens niet meegeteld). Filosofie – fysica: 1 – 0? Dat valt nog af te wachten, want in het Engels leveren beide combinaties zo’n 20 miljoen resultaten op. Hoewel deze manier van zoeken niet garandeert dat beide woorden in dezelfde context voorkomen, lijkt het er toch op te wijzen dat deze combinaties alvast minder exotisch zijn dan je misschien had gedacht.

Ik vind niet dat kwantiteit bepalend moet zijn, dus een diepgravender kwaliteitsonderzoek dringt zich op. Dit zijn mijn vondsten:

Shirley, Shaun en Timmy op de trampoline.Fysica + Schattig = Schaapjes op trampoline

Als je ‘physics’ en ‘cute’ ingeeft in Google Afbeeldingen (en de LOLcats weet te ontwijken) dan beland je bij… Shaun the Sheep! Van deze grappige klei-animatiereeks, van dezelfde makers als van Wallace & Gromit, is er namelijk ook een spel dat lief, leuk, mooi en natuurkundig verantwoord is: Home Sheep Home. Wat wil je nog meer?! De opdracht is telkens hetzelfde: je moet drie schapen, Shirley, Shaun en Timmy, aan de overkant van het scherm krijgen. Daarbij moet je handig gebruik maken van de fysica: wrijving, zwaartekracht, elasticiteit, … het zit er allemaal in, maar dan zonder formules en heel mooi getekend. Nadeel is dat het verslavend kan werken. Anderzijds zijn er maar 15 levels, dus meer dan een halve dag raak je er niet aan kwijt. ;-) Ideaal dus voor een regenachtige vakantiedag.

Niet bepaald schattig, maar daarom zeker niet minder leuk is het spel Angry Birds, waarvan de fysica hier geanalyseerd wordt; het spel is ook al de inspiratie geweest voor een vraag op een fysica-examen.

Filosofie + Schattig = Philosopher Kitteh

De filosoof in het filmpje blijkt ook een opleiding in de fysica te hebben gehad en Shaun the Sheep heeft ook een filosofisch boekje opgeleverd: Feng Shaun (al is Feng Shui van Oosterse filosofie verwaterd tot Westerse pseudowetenschap). Ik kan nog steeds niet kiezen. Tot nader order blijft dit blog dus over wetenschap én wijsbegeerte gaan.