Donkere kamer
Als kind was ik bang in het donker. Het enige wat er nodig was geweest om mijn kinderangsten te verjagen was één lesje geometrische optica.
Deze column is eerder verschenen in het mei-nummer van Eos en op de Eos-website.
Omdat ik bang was in het donker, mocht de deur van mijn kinderkamer op een kier blijven. Meestal zorgde dat voor wat flauw, indirect licht. Maar als mijn vader of moeder het ganglicht aanknipte, zag ik op het plafond een heldere band. Ging mijn moeder nog wasgoed wegleggen, dan moest ze twee keer voorbij mijn deur. Eerst hoorde ik haar stappen van links naderen en in het terugkeren van rechts. Maar op het plafond zag ik haar schaduw eerst van rechts naar links voorbijkomen. Dat ben ik jarenlang zeer vreemd blijven vinden.
Onbewust interpreteerde ik de band licht als een spiegelbeeld van de deurkier. Telkens als iemand voorbijkwam terwijl ik nog wakker was, werd deze hypothese weerlegd. En omdat ik dat niet begreep vond ik het eng. Op de middelbare school leerde ik over de camera obscura als de essentie van elk fototoestel. Het licht wordt via een kleine opening vooraan omgekeerd op de achterwand geprojecteerd, waar zich een fotografische film of lichtgevoelige sensor bevindt. Aan mijn eigen donkere kamer dacht ik toen niet. Dat kwartje viel pas later.
De pagina van mijn column “Donkere Kamer” in Eos was toepasselijk vorm gegeven.
Het inzicht kwam toen ik in een schemerige hal naast een lift stond te wachten. Er was een glazen raam in de liftdeur en de kooi daalde af. De lichtstralen, afkomstig van een lamp bovenaan in de kooi, vormden eerst slechts een vlek op de vloer. Naarmate de lift zakte, konden ook minder steil naar beneden gerichte stralen via het raam ontsnappen en zo strekte de lichtvlek zich geleidelijk uit op de muur. De omkering tussen boven en onder deed me terugdenken aan die averechtse schaduwen op het plafond van mijn kamer.
Het enige wat er nodig was geweest om mijn kinderangsten te verjagen was één lesje geometrische optica: ‘Stel je voor dat het licht uit onvervormbare stralen bestaat.’ Geometrische optica is de oudste tak van de optica. Ze houdt geen rekening met golfachtige of deeltjesachtige eigenschappen van het licht. Volgens dit deelgebied kan je licht beschrijven als stralen die zich rechtlijnig voortplanten in de lucht of een ander uniform en transparant medium als water of glas. Het oppervlak van een transparant materiaal kan de lichtstralen deels reflecteren en deels doorlaten. Daarbij buigen ze af volgens de wet van Snellius. Een niet-transparant materiaal absorbeert de lichtstralen. Hoe en waarom dat gebeurt, valt al buiten deze tak van de optica.
De geometrische optica beschrijft ook wat er gebeurt als lichtstralen door een kleine opening gaan: de stralen gaan erdoorheen van boven naar onder en van links naar rechts. Het geprojecteerde beeld is dus een puntspiegeling. Dat principe kan je gebruiken als je een zonsverduistering zonder eclipsbril wil waarnemen. Prik een gaatje in een stuk karton, hou dat boven de grond en kijk dan naar de heldere vlek in de schaduw ervan. De projectie toont een puntspiegeling van de zon. Als de zon bijvoorbeeld onderaan rechts verduisterd is, dan zie je dit in de projectie bovenaan links.
Pinhole als veilige methode om een zonsverduistering te observeren. Foto bovenaan gemaakt in Retie tijdens de zonsverduistering van oktober 2005. Onderaan: detail.
Tijdens mijn onderzoek werkte ik met een confocale fluorescentiemicroscoop, die soortgelijke speldengaatjes of pinholes gebruikt om ongewenst strooilicht af te schermen en het gewenste signaal eruit te filteren. Buiten het lab gebruiken bijziende mensen dat principe spontaan als ze zonder bril in de verte moeten kijken. Ze knijpen hun ogen samen tot spleetjes en filteren zo de lichtstralen weg die hun ogen niet in focus krijgen. Als ik even mijn bril niet bij de hand heb en in de verte iets wil lezen, gebruik ik soms een kleine opening tussen mijn vingers als monocle. Het ziet er vreemd uit, maar het werkt wel.
Mijn kamerdeur op een kier werkte enkel in de smalle richting als een pinhole. Vandaar dus dat de schaduw van mijn moeder niet ondersteboven stond, maar wel vanuit de omgekeerde richting voorbijkwam. Als mijn zoon ooit vraagt om de deur op een kier te laten, zal ik hem eerst vertellen over die schaduwen. Niets obscuurs aan de hand, gewoon het principe van elke donkere kamer.
Vandaag plaats ik nog vier vragen die ik beantwoordde voor “Ik heb een vraag” (zie ook 
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).
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).
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.
Met de uitleg over interferentie in dunne films is één cruciale vraag onbeantwoord gebleven: waaruit bestaat de dunne laag in kwestie dan? Wat blijft er achter op de bodem na het koken van spaghetti? Is het zout, olie, of zetmeel? Om eerlijk te zijn, weet ik het niet zeker! Volgens Steven Beeson en James Mayer is het laagje afkomstig van het toegevoegde zout en bestaat het uit