Tag Archief: fysica

Fysica: van atoom- tot bikinimodel

Rutherford op een Britse postzegel uit 2010.Eerder schreef ik over vrouwen als minderheidsgroep in de wiskunde, naar aanleiding van mijn deelname aan een zomerschool in Leiden (hier, hier en hier). Ook in de filosofie zijn vrouwen ondervertegenwoordigd, dus misschien schrijf ik daar ooit wel eens over. Vandaag wou ik het echter hebben over vrouwen in de fysica, nog zo’n welbekende minderheid.

Zelf heb ik het nooit vervelend gevonden om deel uit te maken van deze minderheid. Het is gewoon leuk om een fysicus te zijn, ongeacht andere parameters, zou ik denken. Jammer genoeg blijkt dit niet voor iedereen te gelden: in een blogbericht schrijft Linda Henneberg over haar zomer op CERN (onder meer besproken op Cocktail Party Physics). Ze is er op twee vlakken in de minderheid: ze is een vrouw (net als zo’n 20% van het personeel op CERN) en ze is niet op CERN om experimenten te doen, maar wel als stagiair in de wetenschapscommunicatie. Zoals ze zelf ook al aangeeft, is het best mogelijk dat denigrerende opmerkingen in haar richting met dit tweede aspect te maken hebben. Dat zou mijn gok zijn: de meeste fysici zijn erg trots op hun vakgebied en zullen met plezier Ernest Rutherford (bekend van zijn atoommodel) quoten:

All science is either physics or stamp collecting.
(Alle wetenschap is ofwel fysica, ofwel postzegels verzamelen.)

(Ironisch genoeg kreeg Rutherford de Nobelprijs in de Chemie, dus niet die in de Fysica. Ook leuk om te weten is dat verscheidene landen een postzegel hebben uitgegeven met zijn foto erop.) Als natuurkundigen zich al zo laatdunkend uitlaten over andere wetenschappen, kun je je wel voorstellen hoe zelfgenoegzaam ze zijn ten overstaan van een journalist (ook al heeft Linda een opleiding gehad in de fysica).

Enkele meetlijnen in BESSY: tussen de wirwar aan kabels en toestellen die grotendeels met aliuminiumfolie zijn bedekt doen enthousiaste wetenschappers onderzoek naar nieuwe materialen.Helaas ben ik nooit in CERN geweest, zelfs niet voor een rondleiding, laat staan als ‘summie’ (zoals de zomer-stagiairs er worden genoemd). Ik ben wel meermaals metingen gaan uitvoeren op BESSY: daarmee bedoel ik niet de langharige collie uit het gelijknamige stripverhaal, maar wel het synchrotron in Berlijn, een grote internationale onderzoeksinstelling. Ik vond de sfeer op BESSY heel bijzonder. Er wordt natuurlijk vooral hard gewerkt: als je maar een week meettijd hebt, probeer je er het uiterste uit te halen en dus dag en nacht te werken. Juist daardoor heerst er ook een spontane, sympathieke sfeer tussen de onderzoekers. Laat me dit illustreren met een anecdote: als de metingen goed gaan moet je vooral dóórgaan, dus ook niet stoppen om te eten. Maar een mens krijgt op den duur toch honger… Mijn Berlijnse collega stelde voor om via internet een pizza te bestellen, dus dat deden we. Even later riep de portier via de intercom om dat er pizza’s geleverd waren. Iedereen in de experimenteerhal had dat kunnen horen en glimlachte naar ons toen we ons avondmaal gingen ophalen. Ik denk zelfs dat we een trend gezet hebben, want de volgende dagen werden er al eens vaker pizza’s bezorgd.

BESSY is niet zo iconisch als CERN en ik heb er tijdens mijn meetweken nooit een wetenschapsjournalist gezien, maar ik kan me perfect voorstellen dat de onderzoekers een journalist toch eerder als een soort toerist dan als een collega zouden beschouwen, ongeacht of het man of een vrouw betrof. Psychologen en sociologen hebben opgemerkt dat mensen die elkaar niet kennen een positiever beeld hebben van mensen die op hen lijken. Elk verschil werkt als een strafpunt, ongeacht waarover het gaat: leeftijd, nationaliteit, beroep, geloof, politieke voorkeur, muzieksmaak, of geslacht. Iemand die een journalist is en een vrouw tussen hoofdzakelijk mannelijke niet-journalisten start dus al met twee strafpunten. Onfair, maar wel een direct gevolg van de menselijke psychologie, die wij toch allen delen… Bijna alle andere mensen in een omgeving als CERN hebben deze gelijkenis-strafpunten onderling niet.

Net als bij de discussie over vrouwen en wiskunde is mijn conclusie dat de huidige werkpopulatie in de fysica erg homogeen is en dat de wetenschap wellicht gebaat zou zijn met een grotere diversiteit aan mensen, waarbij een hogere participatie van vrouwen vereist is maar niet voldoende. Tweede conclusie: mannen (fysicus of niet) zeggen vast wel eens domme of onhandige dingen over of tegen vrouwen, maar enig mededogen is op zijn plaats. Mannen zijn tenslotte ook maar mensen.

Mooie plaats om aan fysica te doen.Het is best mogelijk dat mijn beeld van ‘vrouwen en fysica’ te optimistisch is. Ik vroeg me af hoe het kwam ik dat ik geregeld bezoekers krijg op mijn website die worden doorgelinkt via een Amerikaanse vacature-website. (De naam vermeld ik niet, omdat ik geen reclame wil maken.) Daarom bezocht ik de website en probeerde te zoeken op relevante trefwoorden zoals ‘philosophy’ en ‘physics’. Een link naar mijn website vond ik niet, maar wel deze vacature:

Bikini physics.

Advertentie voor een bikinimodel dat ook zinnetjes over fysica moet kunnen uitspreken.

Bij mij roept deze advertentie veel vragen en een paar erg foute beelden op. Ik heb niets tegen websites als Science Babe, waarbij Deborah (Debbie) Berebichez, een doctor in de fysica, toont dat ze ook sexy is. Haar video over “De fysica van hoge hakken” vind ik prima: ze trekt de aandacht en gebruikt die aandacht om iets over wetenschap te vertellen. Misschien is dat ook het plan achter de vacature hierboven, maar hoe intelligent moet je precies zijn om voorgeschreven teksten voor te lezen?!

Mijn conclusie: een echte science babe doet haar stunts zelf!

Fysica van de Feesten (Deel 2)

Tijdens de Gentse Feesten zwermen mensen in het centrum van de stad als spreeuwen. Bron: John Holmes, http://www.geograph.org.uk/profile/3430.Dit is het tweede deel in een mini-reeks over de wetenschap achter de Gentse Feesten. De focus ligt op het modelleren van de bewegingen van mensen op de Gentse straten en pleinen. Vorige keer schreef ik over modellen voor het bestuderen van (paniek in) mensenmassa’s, waarbij mensen worden voorgesteld als een – weliswaar bijzondere – soort moleculen.

Om deze “moleculaire methode” nader toe te lichten, zal ik met een iets minder controversieel voorbeeld starten: spreeuwen. Spreeuwen vormen enorme groepen die bewegen alsof de zwerm zelf een bewustzijn heeft. Lange tijd vroegen biologen zich af hoe dit werkt: zit er misschien een hiërarchisch systeem achter, waarin één of enkele vogels de leiding hebben? Dit hiërarchisch model strookt echter niet met de snelheid waarmee zo’n zwerm een hindernis of roofvogels ontwijkt. De oplossing kwam uit onverwachte hoek. In de jaren tachtig was er een informaticus, Craig W. Reynolds, die een programma wou schrijven waarmee je punten op het scherm kon laten bewegen zoals een zwerm vogels. De punten of gesimuleerde vogels noemde hij ‘boids’. Een algoritme gebaseerd op drie eenvoudige regels bleek te volstaan:

  • Regel 1) Vermijd botsingen met naburige boids.
  • Regel 2) Pas vliegsnelheid en -richting aan aan die van naburige boids (tenzij dit een conflict geeft met regel 1).
  • Regel 3) Blijf dicht bij naburige boids (tenzij dit een conflict geeft met regels 1 of 2).

Hiermee kon Reynolds geloofwaardige zwermen simuleren. (Kijk hier voor een Java-applet van boids.) Hoewel het niet zijn bedoeling was om te onderzoeken hoe echte vogels zwermen, lijkt het toch heel plausibel dat vogels, instinctief, soortgelijke eenvoudige regels volgen. (Je begrijpt het: hier maken we de overstap van de informatica naar de sociobiologie en komen zo een stapje dichter bij de mensen op de Gentse Feesten.) Door deze regels op individueel niveau vormt de groep een zwerm. Geen van de vogels denkt na over hoe die zwerm er als geheel uitziet. Elke vogel hoeft enkel rekening te houden met de andere vogels in zijn directe omgeving. Op grotere schaal ontstaat daaruit de zwerm; het is een emergent verschijnsel. (Lees dit artikel uit American Scientist van als je meer wilt weten over het modelleren van zwermen.)

Nu terug naar de Gentse Feesten en al het volk daar. Mensen zijn geen vogels, maar zou het kunnen dat ook het gedrag van mensen in soortgelijke simpele regels is te vatten? Het ziet ernaar uit van wel!

Sociale krachten, hier weergegeven door rode pijltjes, doen een persoon afwijken van de rechte lijn naar zijn doel. Bron: http://www.alexisoyama.com/pdf/AbnormalCrowdSocialForce_CVPR09.pdfDirk Helbing is wiskundige en fysicus van opleiding en werkt als professor in de sociologie aan de ETH-universiteit van Zürich. Hij is gespecialiseerd in het modelleren en simuleren van menselijke verplaatsingen, met name van voetgangers op drukke plaatsen. In de jaren negentig stelde Helbing het eerste fysiche veel-deeltjes model voor om voetgangersstromen in drukke winkelstraten te beschrijven. Hij is ook de bedenker van een model dat gebaseerd is op “sociale krachten”: ieder mens in de massa heeft een bepaalde drijfkracht (zijn inwendige motivatie om ergens naartoe te gaan met een bepaalde snelheid), maar er zijn ook tegenwerkende krachten (andere mensen die in een andere richting lopen of vaste hindernissen zoals muren). Het werk van Helbing is dus een prima vertrekpunt om door een wetenschappelijke bril naar de Gentse Feesten te kijken.

In een drukke straat proberen alle individuele bezoekers hun eigen bestemming te bereiken op hun eigen wandeltempo. Hoewel niemand bezig is met het coördineren van de massa, ontstaan er toch min of meer stabiele voetgangersstromen in de tegengestelde richtingen. De massa organiseert zich dus op zo’n manier dat een behoorlijk efficiënte doorstroom mogelijk blijft. Net als vogelzwermen is er sprake van spontane zelforganisatie en emergente fenomenen, waarbij kleine veranderingen in zeer lokale interacties grote effecten kunnen hebben op de groep als geheel. In het filmpje hieronder zie je een simulatie van dergelijke voetgangersstromen:

Dit wil natuurlijk niet zeggen dat groepen zichzelf altijd efficiënt regelen. Uit eigen ervaring ken je het vast: als het aantal mensen per oppervlak te hoog wordt, wordt je bij elke stap gehinderd. Als het te druk wordt, is het gewoon niet leuk meer. Deze sterke storing op het individuele niveau heeft drastische gevolgen op het niveau van de groep, zo blijkt uit het werk van professor Helbing uit 2007: er ontstaat dan turbulentie en de voetgangersstromen worden zeer instabiel. Het is in dit regime dat er rampen kunnen gebeuren.

Mensen die in tegenovergestelde richtingen wandelen aangeduid in blauw en rood. Bron: Mehdi Moussaïd.Begin dit jaar verdedigde Mehdi Moussaïd zijn doctoraat aan de universiteit van Toulouse; hij is echter ook verbonden met het Zwitserse ETH en werkt samen met Dirk Helbing. Moussaïd deed experimenten in het laboratorium om te onderzoeken hoe wandelende mensen precies bewegen om botsingen te vermijden. Concreet liet hij proefpersonen door een gang lopen van acht meter lang en twee meter, waarbij hun bewegingen met video werden geregistreerd (waarvan hier een fragment op YouTube). Het effect van sociale interactie kan bepaald worden door de mensen zowel te volgen als ze alleen zijn in de gang, als wanneer iemand hen kruist: het (gemiddelde) verschil is het directe gevolg van één enkele interactie. Ook onderzocht hij hoe groepjes mensen zich samen door de drukte een weg banen. De meeste mensen gaan immers niet alleen winkelen of naar een festival. Met deze gegevens probeerde hij het bestaande “sociale kracht”-model aan te passen, op zo’n manier dat ze beter in overeenstemming zijn met echte sociale interacties.

Eerder dit jaar schreef The Economist een artikel over het werk van Moussaïd. (Zie ook hier.) Net als het boid-model voor vogelzwermen is ook zijn model voor mensen gebaseerd op drie regels:

  • Regel 1) Elk individu tracht in een zo recht mogelijke lijn op zijn doel af te gaan en toch obstakels te ontwijken (voetgangers of vaste hindernissen).
  • Regel 2) Elk individu past zijn snelheid aan, afhankelijk van de afstand tot deze obstakels.
  • Regel 3) Als een individu ingesloten raakt, daalt het belang van regel 1.

Deze laatste regel brengt in rekening dat mensen op zeer plaatsen min of meer willekeurig bewegen, ongeacht hun doel. Hun bewegingen gaan dan meer lijken op die van moleculen. Het verfijnen van modellen voor hoe mensenmassa’s bewegen, is niet enkel nuttig bij het verhogen van de veiligheid op grote evenementen, maar heeft ook meer exotische toepassingen, zoals de ontwikkeling van navigatiesystemen voor autonome robots.

De Gentse politie is op post.Hoe we de massa ook modelleren, de conclusie blijft dezelfde: als er te veel mensen op een te klein oppervlak samenkomen, kunnen er gevaarlijke situaties ontstaan. In de uitzending van “Ook getest op mensen” waar ik het vorige keer al over had, praatte Marcel Vantilt ook met de hoofdcommissaris van Gentse politie, Steven De Smet. De commissaris legde uit dat de politiediensten via camera’s de beweging van mensen opvolgen en locaties afsluiten als deze hun maximale capaciteit dreigen te bereiken. Het is niet leuk als je naar een optreden op een bepaald plein wilt en het net voor je neus wordt afgezet met dranghekken, maar zo wordt erger voorgekomen. Met dit kwakkelweer loop je overigens weinig risico dat je niet meer bij het podium van je voorkeur kunt. Feestgangers hoeven zich geen zorgen te maken: de politie en de wetenschap waakt.

Maandag het derde en laatste deel in deze reeks. Dan zoek ik onder meer uit of de Universiteit Gent ook aan wetenschappelijk onderzoek doet op de Gentse Feesten.

Fysica van de Feesten (Deel 1)

Gents feestbeestje.Gent staat weer tien dagen op stelten voor de Gentse Feesten. De mascotte van dit jaar, het egeltje dat met zijn krulspelden aangeeft “Ik ga naar een feestje”, vind ik het allerleukste nachtdier aller tijden. In het gevarieerde programma trekt vooral het straattheater (MiramirO) en het poppentheater (Puppetbuskersfestival) mijn aandacht, maar in deze blogpost breng ik de wetenschap achter de Feesten voor het voetlicht.

Natuurlijk zijn er straatartiesten die zeepbellen blazen, zoals te zien is op de foto aan het hoofd van dit blog: die maakte ik vorig jaar op de Gentse Feesten. Die zeepbellen zouden me kunnen meevoeren naar een verhaal over oppervlaktespanning en diffractiekleuren. Ik zou het kunnen hebben over de chemie die het vuurwerk helpt kleuren aan de Watersportbaan op 21 juli. Ook de enorme afvalberg roept vragen op: kan wetenschap ons helpen om de feesten ecologischer te maken? We zouden het zelfs kunnen hebben over de tijdelijke piek aan fijn stof in Gent tijdens de vorige (drogere) editie van de Feesten. De piek in de fijn-stof-concentratie blijkt een rechtstreeks gevolg van al het volk in het Baudelo-park. Want op de Gentse Feesten zijn er toch vooral mensen, massa’s mensen. Daarover wil ik het hebben. Mensen vallen niet onder de fysica, zul je misschien denken, want fysica is de leer van de dode materie. En de mensen op de Gentse Feesten zijn juist héél levendig. (Nu toch nog – volgende week, op de dag van de lege portemonnees is dat stukken minder.)

Op het album 'Riot Act' zingt Pearl Jam over 9 fans die stierven in het gedrum tijdens hun optreden op Roskilde.Mensenmassa’s kunnen heerlijk zijn: samen de longen uit je lijf zingen op een plein in Gent, of collectief schreeuwen voor je club. Maar de massa kan ook moordend zijn. In het lied “Love Boat Captain” zingt Pearl Jam: “Lost 9 friends we’ll never know”, over negen fans die in het gedrum voor het podium omkwamen tijdens hun concert op het Roskilde-festival in 2000.

Eerder dit jaar was er een uitzending van het VRT-programma “Ook getest op mensen” over wat er gebeurt als mensen in de drukte in paniek raken; je kunt de filmpjes hier (her-)bekijken. Dat de gevolgen vreselijk kunnen zijn is bekend, maar kan de wetenschap ons wijzer maken over wat er precies gebeurt, of over hoe we tragedies kunnen voorkomen?

In de reportage legt Eddy Van Avermaet, professor en sociaal psycholoog aan de KULeuven, uit dat mensen onder normale omstandigheden rekening houden met elkaar, maar dat dit wegvalt als er paniek ontstaat. Wat verstandig is op het niveau van het individu (zo snel mogelijk naar uitgang lopen, bijvoorbeeld), kan averechts werken op het niveau van de groep als geheel (door te drummen stropt de uitgang dicht). Het Romeinse Collosseum, met zijn vele uitgangen krijgt van Professor Van Avermaet een dikke voldoende: “crowd management van de bovenste plank” noemt hij dat.

Nog een expert die aan bod komt in de uitzending van “Ook getest op mensen” is Rik Liekens, ingenieur, architect en veiligheidscoördinator van Rock Werchter. Rik Liekens toont simulatiemodellen die gebruikt worden om de beweging van mensenmassa’s te voorspellen. Hiermee kun je het effect van aanpassingen in de omgeving (aantal, locatie en afmetingen van de uitgangen, bijvoorbeeld) nagaan op de evacuatietijd bij massa-evenementen, zoals Rock Werchter of de Gentse Feesten dus.

Helaas wordt er niet veel uitleg gegeven over die simulaties. We krijgen weinig meer te zien dan bewegende bolletjes op een computerscherm. Die bolletjes moeten mensen voorstellen die naar een uitgang snellen, maar het zouden net zo goed moleculen kunnen zijn: luchtmoleculen die uit een ongeknoopte ballon ontsnappen en de ballon door de lucht doen schieten. Deze simulaties doen me denken aan werk van de Australische ingenieur Le Roy F. Henderson uit de vroege jaren zeventig, waarbij mensenmassa’s gemodelleerd werden als een gas of een vloeistof.

Maar, mensen zijn toch geen moleculen? Of wel…? Ik denk er nog eens over na en ga op zoek naar recentere publicaties. Volgende keer lees je er meer over.

De magie van de platenspeler

In de kleurrijke jaren tachtig draaide ik deze kindermusical grijs.We hadden thuis een platenspeler waarop ik vaak luisterde naar sprookjes, de one-man-show van Toon Hermans en een musical ‘Wordt er in de ruimte ook gelezen?’. Natuurlijk kende ik al deze verhalen en liedjes – inclusief krassen, want zo ging dat toen – uit het hoofd en toch was het heerlijk om op een kussen voor de platenspeler te zitten met de zware hoofdtelefoon op. Door deze manier van luisteren – via de hoofdtelefoon of de boxen – zou je haast vergeten dat het principe van de platenspeler ook zonder elektriciteit werkt. De oorspronkelijke fonograaf van Edison, waarover ik eerder al schreef, werkte volledig mechanisch. Aangezien het cruciaal is voor de geluidskwaliteit om de draaisnelheid constant te houden, was het voor latere versies wel handig om hiervoor een elektrische motor te gebruiken. Ook om het geluid te versterken – met boxen of een koptelefoon – is er elektriciteit nodig en met de komst van stereo en high-fidelity is de kop, waar de naald in zit, steeds meer elektronica gaan bevatten. Maar elektriciteit is bij een platenspeler lang niet zo cruciaal als bij pakweg een gloeilamp.

Zelf ‘herontdekte’ ik het principe van de platenspeler twee keer. Een eerste keer kwam dit door een speciale vorm van reclame van een verzekeringsfirma: zij gaven een kartonnen folder uit, met daarop een plaatje. Door het karton op een bepaalde manier te vouwen, kwam één hoek van het karton, waar een naald aan was geplakt, net boven de plaat uit. Als je het plaatje dan met je vinger liet draaien, hoorde je de reclameboodschap. Wonderlijk! (Dankzij het internet kwam ik zojuist aan de weet dat dit systeem ook werd toegepast voor sprookjes.) Er kwam geen elektriciteit of versterking aan te pas. Het was puur mechanisch en hoewel ik het zelf in mijn handen hield, kon ik het toch niet echt begrijpen.

De tweede keer dat ik de magie van de plaat herontdekte was nadat mijn stereoketen met cassette- en platenspeler jarenlang stof had staan vergaren. Ik wilde nog eens naar een plaat luisteren, maar vergat de schakelaar van ‘cassettedeck’ naar ‘platendraaier’ te veranderen. De plaat begon wel te draaien, maar het geluid was heel zacht. Eerst dacht ik dat er een slecht contact was in de kabel naar de boxen, waardoor deze zeer weinig volume gaven. Pas dan realiseerde ik me dat het geluid van de plaat zelf kwam. Opnieuw stond ik verwonderd van dit eenvoudige en toch zo efficiënte mechanisme.

Fragment van een fonautogram uit 1859. De oudst bewaard gebleven stem stamt uit 1860, 17 jaar vóór Edisons uitvinding.Edisons uitvinding van de fonograaf in 1877 kwam natuurlijk niet uit het niets. In 1857 bedacht een Franse drukker, Édouard-Léon Scott de Martinville, de fonautograaf, waarmee je geluiden visueel kon vastleggen, maar niet opnieuw beluisteren. Pas in 2008 werd een fonautogram uit 1860 met behulp van computer terug in geluid omgezet: je hoort een stem die het Franse liedje “Au clair de la lune” zingt. (Intussen zijn er nog meer fonautogrammen uit 1860 gerestaureerd en hier te beluisteren.) Het idee dat wij nu een stem kunnen terughoren uit die tijd, van iemand die dit zelf nooit heeft kunnen beluisteren… Ik krijg er kippenvel van!

(meer…)