Tag Archief: optica

Nieuwsflits: Regenboogvlag in Oxford

Uiteindelijk gaat het om diversiteit.Wat wij nu geschiedenis noemen was voor sommige mensen gewoon het heden. Ik heb al vaak gedacht dat de meeste mensen er helemaal geen erg in hadden dat zij erbij waren op een historisch moment. De geschiedenis gebeurt gewoon en zegt niet: “Hé, mensen, er is hier iets bijzonders aan de gang, merk mij op!” Ja, journalisten, die hebben een neus voor dat soort dingen. Ik vreesde al dat ik geen goede journalist zou zijn en nu staat het vast: ik ben langs een primeur gelopen. Ik ben er bij blijven stilstaan en heb er zelfs een foto van gemaakt, maar besefte niet dat het om een nieuwsfeit(je) ging. Ik kan nog geen nieuws ruiken als ik er tot aan mijn middel in sta!

Het was vorige week vrijdag. Ik wandelde naar een lezing over kwantuminformatie op de wetenschapscampus van Oxford. Aan Parks Road, een straat waar ik nog niet eerder was geweest, kwam ik langs een college met een kasteelachtige voorgevel. Boven de kantelen wapperde er een regenboogvlag. Het was een mooi beeld: de goudgele collegemuren, de blauwe lucht en de zeven regenboogkleuren vrolijk wapperend in de wind. Enig puntje van kritiek was dat de rode kant van de regenboog aan de onderkant hing, wat volgens de optica niet helemaal klopt (tenzij het een secundaire boog betreft). Op de terugweg besloot ik toch een foto te maken van de mooie vlag, ook al hing die dus ondersteboven.

De regenboogvlag wappert vrolijk boven Wadham College.

De regenboogvlag wapperde vorige week vrolijk boven Wadham College.

Natuurlijk vroeg ik me ook af of dit college bekend was omwille van zijn grote holebi-gemeenschap, maar dat vermoeden nam af door de volgende gebeurtenis.

Terwijl ik mijn fotoapparaat wegstopte, passeerde er een man die tegen me zei (in het Engels, met een Italiaans accent):
– “Die vlag hoort daar niet thuis!”
Ik keek hem vertwijfeld aan: stoorde het hem dat die vlag daar hing, of vond hij het enkel ongewoon?
– “Ik weet het niet,” zei ik (in het Engels, met een Vlaams accent), “maar ik vind het een prachtig zicht.”
Daarmee liet ik in het midden of ik de kleuren of de betekenis van de vlag bedoelde. (Het was beide.)
– “Het is een grap, snap je,” zei de man en hij lachte.
Maar ik snapte het niet. Was zijn eerste opmerking dan ironisch bedoeld (en stoorde de vlag hem dus niet), of zag hij in de vlag een studentengrap? Ik denk dat de man het allemaal positief bedoelde, want vervolgens haalde ook hij zijn camera uit om er een foto van te maken.

Door deze ontmoeting had ik moeten beseffen dat het verschijnen van een regenboogvlag in het Oxfordse straatbeeld een nieuwsfeit is. Ik was echter onwetend – even onwetend als de gevangenen in de Bastille, toen de bestorming al onderweg was en de Franse Revolutie dus in gang was gezet. Ik besloot de foto niet meteen te plaatsen: ik wil volgende week iets schrijven over mijn eerste waarneming van een regenboog hier in Oxford (ja, een echte!) en daar past deze foto ook prima bij.

Daarnet zocht ik alvast op Google Maps op welk college dit was. ‘Wadham College‘ staat er bij de kaart naast Parks Road. Vervolgens zocht ik naar Wadham College op het internet en leerde zo dat het om een zeventiende-eeuws gebouw gaat én dat er deze maand een holebi-bijeenkomst gehouden wordt in het college. Bovendien blijkt het hier om de allereerste regenboogvlag ooit boven een gebouw van de Universiteit Oxford te gaan. Dit bericht kwam pas vandaag online (eerst hier, toen ook hier), dus ik had de primeur kunnen hebben. Naast mijn gemiste scoop vind ik het natuurlijk ook jammer dat zoiets überhaupt nog nieuws is in Oxford. Voor diversiteit geldt echter “beter laat dan nooit”, dus bij deze: proficiat aan Wadham College. Van harte welkom in de eenentwintigste eeuw. Vermoedelijk gaat het zelfs om het eerste holebi-symbool tout court aan een universiteitsgebouw in Oxford en er wordt hier toch al van in de elfde eeuw les gegeven – van een primeur gesproken!

Van in het begin heb ik beslist om met mijn blog niet het laatste nieuws te proberen volgen en nu weet ik weer precies waarom dat een goede beslissing was: ik deug gewoon niet als verslaggever ter plaatse!

Dit was Sylvia, live vanuit Oxford, terug over naar de studio.

De fysica van hemelsblauwe ogen

Bij mensen met een bleke oogkleur, kun je prachtig de structuur van de iris zien, zoals hier gefotografeerd door Suren Manvelyan.Als je al ooit iemand “hemelsblauwe ogen” hebt toegedicht, dan ben je geen bijster originele dichter, maar mogelijk wel een betere fysicus dan je zelf beseft!

Ogen worden soms “spiegels van de ziel” genoemd  en spiegelen doen ogen alleszins. Het laatste fotoraadsel was een detail van een oog, waarin je de Gentse Graslei weerspiegeld zag. Als je vlak voor iemand staat, kun je jezelf (verkleind) weerspiegeld zien in de ogen van die persoon, als een poppetje. Daar komt de uitdrukking “in de poppetjes van iemands ogen kijken” vandaan. Het Latijn voor pop is ‘pupil‘ en dat woord gebruiken we overdrachtelijk voor het donkere, middelste deel van het oog, waar we onze weerkaatsing ook het beste kunnen zien.

Vorige keer schreef ik dat je het oog als een bolle spiegel kunt beschrijven met klassieke optica. Daarbij vermeldde ik al dat  het oogoppervlak geen perfecte spiegel is, want je ziet tegelijk met de weerkaatsing ook iets van het oog zelf.  Vandaag stappen we dus dóór de spiegel en gaan we op zoek naar de oorsprong van de regenboog van onze ziel…

We zullen zowel fysica als biologie nodig hebben om een antwoord te geven op deze vragen:

  1. Waar komt onze oogkleur vandaan?
  2. Kunnen ouders die beiden blauwe ogen hebben, toch een kind krijgen dat bruine ogen heeft?
  3. Kun je je oogkleur permanent veranderen, met een pilletje of een operatie?

Wat je van buitenaf ziet van de oogbol is het oogwit en de oogappel. De oogappel bestaat uit de pupil en de iris. De pupil zie je als een zwarte stip, omdat dit een opening is waardoor je de donkere binnenkant van de oogbol ziet (het oog is een soort ‘camera obscura‘ of donkere kamer). De iris is het gekleurde deel rond de pupil; dit wordt ook het ‘regenboogvlies’ genoemd. Als we het hebben over iemands oogkleur, bedoelen we dus eigenlijk zijn of haar iriskleur. Mijn eigen irissen zijn nagenoeg perfect egaal donkerbruin. Dat vind ik jammer, want bij mensen met lichtere oogkleuren – zoals blauw, groen, of grijs – kun je meer structuur zien. Ook bestaat een lichtere iris vaak uit meerdere kleuren. Het fotoraadsel toont daar een voorbeeld van: je ziet in de iris een mengeling van geel en blauwgrijs, in een soort netachtige structuur.

Bij mensen met een bleke oogkleur, kun je prachtig de structuur van de iris zien, zoals hier gefotografeerd door Suren Manvelyan.De prachtige close-ups van Suren Manvelyan (theoretisch fysicus en fotograaf) laten de structuur in de iris zeer duidelijk zien. Dit doet me denken aan ouderwetse knikkers, waarbij er midden in het transparante glas gekleurde golfjes zitten. Als kind vroeg ik me af hoe ze die golfjes daarin kregen. Later besefte ik dat mijn vraag slecht geformuleerd was: de gekleurde structuren ontstaan immers samen met de rest van de knikker, tijdens het smeltproces van het glas. Bij het oog is de situatie vergelijkbaar: je moet al een beetje weten over hoe het oog is opgebouwd, voor je gerichte vragen kunt stellen over de kleur ervan. Tot voor kort dacht ik dat enkel het buitenste laagje rond de pupil een kleur heeft, of met andere woorden: dat de iris een heel dun laagje is, dat door en door dezelfde kleur heeft.

Laten we dus bij het begin beginnen: wat is de iris eigenlijk? De iris bevindt zich tussen het hoornvlies (het buitenste deel van het oog, waarin ik me al eens gesneden heb) en de interne ooglens (zie ook deze anatomische dwarsdoorsnede). De iris is een kringspier, die de pupil kan doen samentrekken of verwijden en daarmee dezelfde functie vervult als het diafragma in een camera. Eens je erbij stilstaat dat de iris een spier is, is het niet moeilijk om te beseffen dat dit orgaan – net als een knikker – een interne structuur heeft: vandaar de vezelachtige structuur die zichtbaar is in bleke ogen.

Dit brengt ons bij een voorlopig en onvolledig antwoord op de eerste vraag: oogkleur wordt bepaald door reflectie en verstrooiing van het omgevingslicht aan de structuur van de iris. Dat omgevingslicht een bijna even grote rol speelt als de eigenlijke kleur van de iris (zeg, bij wit licht), maakt dat vooral mensen met een lichte oogkleur hun schijnbare oogkleur kunnen beïnvloeden door make-up en de kleur van de kleren die ze dragen. Voor de rest van dit stukje zullen we uitgaan van de oogkleur bij wit licht.

Bij een grote meerderheid van de mensen bevatten huid en haren pigmenten; bij albino’s echter ontbreken deze pigmenten, waardoor ze een zeer bleke huid hebben en wit haar. Ook met hun ogen is er iets aan de hand: albino’s lijken rode ogen te hebben. Dit suggereert al dat bij mensen zonder albinisme, oogkleur beïnvloed wordt door de aanwezigheid van pigmenten in de iris. Deze pigmenten ontbreken bij een albino, waardoor je dwars door hun irissen het bloed in hun ogen kunt zien. Voor albino’s zelf is dit gebrek aan pigmenten in hun ogen overigens knap lastig: hun doorschijnende irissen houden nauwelijks licht tegen en kunnen hun functie als diafragma dan ook niet naar behoren vervullen. Hierdoor kunnen albino’s minder goed zien.

Bijna alle baby's worden geboren met blauwe ogen. Het is dus even wachten voor je te weten komt of het kind later dezelfde ogen als papa of mama zal hebben.Bij mensen die wel normaal gepigmenteerd zijn, wordt hun oogkleur bepaald door diverse pigmenten op achter- en voorzijde van de iris. Het belangrijkste pigment daarbij is het donkerbruine melanine (waarvan ik er duidelijk veel heb). Een iris met weinig pigment op de achterzijde, ziet er blauwgrijs uit. Deze kleur ontstaat door interne verstrooiing van het licht in de iris. Ook de meeste baby’s hebben blauwgrijze ogen, maar tijdens de eerste levensjaren kan er nog pigment bijkomen en pas dan wordt hun uiteindelijke oogkleur duidelijk. Met genetica kun je proberen te voorspellen welke kleur dit zal worden, zelfs vóór het kind geboren is, want oogkleur (datgene wat je ziet: het fenotype) is voor een groot deel genetisch bepaald (het genotype).

Je zou kunnen denken dat kinderen een oogkleur hebben die een mengeling is van de oogkleur van hun ouders, maar dit blijkt in de praktijk niet te kloppen: ouders die beiden bruine ogen hebben, kunnen bijvoorbeeld een kind krijgen dat blauwe ogen heeft. Van kleuren mengen is er dus geen sprake. Als er iets gemengd wordt, zijn het chromosomen. Genetica leert ons dat ieder van ons twee verschillende exemplaren heeft van zijn chromosomen en dat elke ouder één chromosoom per paar doorgeeft, waardoor het kind weer twee exemplaren van elk chromosoom heeft. Welk exemplaar van elk chromosoom doorgegeven wordt, wordt door toevallige omstandigheden bepaald. Enkele genen op die chromosomen bepalen de pigmentatie en dus ook de oogkleur. Welke genen een kind meekrijgt en hoe deze zullen samenspannen in het ontwikkelen van de oogkleur is niet met zekerheid te voorspellen, maar je kunt wel kansen berekenen.

Zelf heb ik op school geleerd dat het hebben van blauwe ogen een recessieve eigenschap is, terwijl bruin dominant is: beide ouders moeten het gen voor blauwe ogen doorgeven, anders krijgt het kind bruine ogen. Dit Mendeliaanse beeld komt weliswaar overeen met de vaststelling dat bruine ogen veel meer voorkomen dan blauwe, maar het stelt de zaken toch iets te eenvoudig voor. Meer dan 75% van het verschil tussen blauwe en bruine ogen wordt inderdaad veroorzaakt door één gen: OCA2 dat zich op chromosoom 15 bevindt. Meer dan 75% dus, maar geen 100%. Er spelen dus ook nog andere genen een rol bij het bepalen van oog- (en trouwens ook haar-) kleur. (Dit noemt men ‘polygeen’.)

Hiermee hebben we een antwoord op de tweede vraag: ja, ouders met blauwe ogen kunnen een kind krijgen met bruine ogen, maar de kans is wel erg klein. Overigens wordt het door wetenschappers mogelijk geacht dat het genetische signatuur voor blauwe ogen afstamt van één enkele voorouder bij wie deze variant zich spontaan ontwikkeld heeft; dit zou betekenen dat al onze voorouders vóór die tijd bruine ogen hadden. Saai, hè!

In de tijd dat ik nog aan DNA-sensoren werkte, deden we experimenten met SNPs (spreek uit als ‘snips’), wat staat voor “single-nucleotide polymorphisms” of puntedefecten in DNA: variaties waarbij de DNA-codes in slechts één letter van elkaar verschillen. Welnu, in 2009 hebben onderzoekers van de universiteit Rotterdam met experimenten aangetoond dat oogkleur in 90% van de gevallen te voorspellen is aan de hand van amper zes SNPs, op even zoveel genen.

Dit is de chemische structuur van het biomolecule eumelanine, het donkere oogpigment. (Bron van de afbeelding: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eumelanine.svg)Na dit uitstapje naar de genetica, komen we terug bij de pigmenten die onze oogkleur bepalen. Pigmenten zijn kleurstoffen, die een bepaald deel van het spectrum absorberen en een deel reflecteren. De aard van de pigmenten, de plaats en de dichtheid waarmee ze in de iris voorkomen, bepalen samen de uiteindelijke oogkleur. Bij mensen gaat het vooral om twee soorten melanine – eumelanine dat bruin is en feomelanine dat geel is – terwijl er bij andere diersoorten ook andere pigmenten en dus ook andere oogkleuren voorkomen.

Deze pigmenten komen voor in het epitheel (achterzijde) en het stroma (voorzijde) van de iris. Wanneer enkel de achterzijde gepigmenteerd is, zal het oog grijs tot blauw lijken, doordat het invallende licht verstrooid wordt in de vezelachtige structuur van de iris. Wanneer ook de voorzijde een licht pigment bevat, kun je nog andere kleuren krijgen. Ogen die achteraan donker zijn en vooraan geel pigment bevatten, kunnen bijvoorbeeld groen lijken. In deze gevallen blijft de iris gedeeltelijk transparant en wordt de kleur mede bepaald door de dikte en de dichtheid van de vezels. Wanneer de voorzijde echter donker gepigmenteerd is, zoals bij mij, kan het licht niet in de iris doordringen. Een groot deel van het licht wordt meteen geabsorbeerd door de buitenste laag van de iris, met een zeer egale, bruine kleur als gevolg. (Zie ook deze link.)

Als de pigmenten ongelijkmatig verdeeld zijn, zullen er meerdere kleuren zichtbaar worden in hetzelfde oog. Vaak heeft de rand rond de pupil een andere kleur dan de buitenrand van de iris (zoals Danny’s oog in het fotoraadsel). Er kan ook één sector anders gekleurd zijn (dag Riet!) of de twee ogen kunnen totaal verschillende kleuren hebben. Dit heet ‘heterochromie’ en is vrij zeldzaam bij mensen, maar courant bij sommige dieren, waarbij dan altijd één oog blauw is (bij honden bijvoorbeeld bij huskies en border collies).

Door andere pigmenten toe te voegen, kun je het regenboogvlies van het oog in principe in eender welke kleur van de regenboog verven.Dan rest er ons nog het antwoord te zoeken op de derde en laatste vraag: kun je je oogkleur veranderen? In elk geval is het zo dat je oogkleur op verschillende manieren kan veranderen tijdens je leven. Ik schreef al dat de meeste baby’s bij de geboorte blauwgrijze ogen hebben, die – mede onder invloed van de zon – kunnen evolueren naar een andere kleur. Na het derde levensjaar staat de oogkleur in principe vast.

Net als de huid, kan ook de iris ook nog op latere leeftijd in de loop van het jaar van kleur veranderen en dit onder invloed van zonlicht. Net als de huid worden ook de ogen zo doorgaans bruiner in de zomer. (Ik zal hier eens op letten bij mezelf, maar het zou kunnen dat mijn bril UV-licht tegenhoudt, waardoor mijn ogen niet nog donkerder worden door de zon.) Het zou ook zo zijn dat iemand met groene ogen in de zomer bruine vlekken krijgt op de irissen; een soort sproeten dus. Bij blauwe ogen zou zonlicht voor een lichtbruine ring rond de pupil kunnen zorgen. In al deze gevallen keert in de winter de normale kleur terug.

Het hebben van twee verschillende kleuren ogen is meestal aangeboren (hetzij genetisch bepaald of een gevolg van een letsel tijdens de zwangerschap), maar heterochromie kan ook na verloop van tijd ontstaan door ziekte (van een ontsteking tot tumor) of letsel, onder andere door oogdruppels die gebruikt worden in de behandeling tegen glaucoom (groene staar). Als je oogkleur plots verandert zonder duidelijke reden, kun je best eens naar de oogarts gaan.

Op kortere termijn is het trouwens zo dat je oogkleur voortdurend (een beetje) verandert. Wanneer de iris samentrekt, worden immers ook de pigmenten in het oog samengedrukt; door deze stijging in de concentratie van de pigmenten, verandert je oogkleur dus ook (subtiel).

Stel nu dat je je oogkleur opzettelijk wenst te veranderen. Je kunt natuurlijk gekleurde lenzen proberen, als je tijdelijk een andere oogkleur wil hebben. Aangezien lichte kleuren zoals blauw of groen deels door optische effecten in de iris onstaan, lijkt het mij dat dit enkel overtuigend zal werken als je bruine ogen wil nabootsen. Er zijn ook permanente methodes, die zeker een overtuigend effect zullen hebben, maar die wel erg drastisch zijn! De website van “Improbable research” berichtte eerder deze maand over twee patenten voor het veranderen van oogkleur: je kunt kiezen uit ‘schrapen’ of ‘verven’. Bij de schraapmethode wordt er met een laser een deel van de pigmentlaag verwijderd. (Ik zou zo het bruine pigment aan de buitenkant van mijn ogen kunnen laten verwijderen om blauwe ogen over te houden.) Bij de verfmethode wordt een deel van het buitenste deel van het oog (dus niet de iris zelf) weggenomen, gedroogd, geverfd en teruggeplaatst. (Net als gekleurde lenzen, lijkt dit me vooral geschikt om lichte ogen donkerder te maken.)

Voor geen geld ter wereld zou ik mijn ogen zo laten ontkleuren of bijkleuren! Dan maar geen groene ogen. Veel minder erg zou ik het vinden om ooit een ig-Nobelprijs in de wacht te slepen. Het criterium voor deze prijzen van Improbable research is: “Onderzoek dat mensen eerst doet lachen en dan doet nadenken”. Volgens mij komt ons NAP-onderzoek wel in aanmerking, want wie neemt een wetenschappelijk artikel over oneindige loterijen nu volledig serieus? ;-)

Blauwe ogen en blauwe lucht ontstaan beide door verstrooiing van wit licht en dus niet door pigmenten.Als je van deze lange uitleg maar één ding onthoudt, laat het dan dit zijn: er bestaat bij mensen niet zoiets als “blauw oogpigment”. Het antwoord op de vraag waarom er toch blauwe (of grijze) ogen zijn, is vergelijkbaar met het antwoord op de vraag waarom de lucht blauw (of grijs) is: dit komt door Rayleighverstrooiing van het zonlicht, waarbij de langere golflengten van het lichtspectrum worden geabsorbeerd en de kortere worden verstrooid aan de luchtmoleculen. De structuren waar het licht in het oog aan wordt verstrooid, zijn groter dan luchtmoleculen; in dit geval spreekt men van Mieverstrooiing of het Tyndall-effect. Het blauw van blauwe ogen wordt dus veroorzaakt door de structuur van de iris, net als interferentiekleuren in dunne lagen.

Ook “groen oogpigment” bestaat bij mensen niet: groene ogen kun je – fysisch gesproken – nog het beste vergelijken met een blauwe hemel gezien door een gele zonnebril, maar een dichter kan hier vast een mooiere vergelijking voor bedenken. (Suggesties altijd welkom!)

Oog voor Gent (oplossing fotoraadsel)

Twee weken geleden vroeg ik jullie om mee te raden naar waar onderstaande foto gemaakt is:

Rara, waar is deze foto gemaakt?

Dit was de opgave: "Waar is deze foto gemaakt?"

Ik heb jullie blijkbaar onderschat! De foto stond nog geen half uur online op SciLogs, of Kris De Winter kwam al met de juiste oplossing: het is inderdaad de Graslei in Gent. Reinout, Eva Janssens en Wilfred Swinkels waren ook overtuigd dat het Gent moest zijn; enkel Evy Sohier nam Brugge nog in overweging. De foto is genomen vanaf de Korenlei, zoals luk suggereerde. Het gaat inderdaad om een reflectie in een oog, zoals Kris en Evy goed opmerkten. Als eerste bewijsstuk toon ik hier de volledige foto:

Oog waarin de Gentse Graslei reflecteert.

Oplossing fotoraadsel: je zag een detail van dit oog, waarin de Gentse Graslei reflecteert.

Als tweede bewijsstuk toon ik nog een foto, die op dezelfde avond gemaakt is, maar dan in de richting van de Graslei. Je ziet de karakteristieke toren van het oude postgebouw (waarvan de klok al maanden fout staat), waardoor de reflectie goed te herkennen was. (De parasol die links op het oog te zien was, staat hier buiten beeld aan de rechterkant.)

Overkant van het water: de Graslei.

Vanaf de Gentse Korenlei zie je aan de overkant van het water de Graslei.

Behalve jullie feliciteren met de rake gokken, moet ik ook Danny bedanken om niet te knipperen of te bewegen terwijl ik de lens toch gevaarlijk dicht bij zijn rechteroog hield (en al een sangria op had). Een pluim ook voor mijn trouwe compactcamera en dan vooral de ‘super macro’ optie, die toelaat om op een zeer korte afstand te focussen.

Voor een wetenschapper is het leuk om zo’n foto te analyseren. Enerzijds heb je de reflectie op een bol oppervlak. Anderzijds zie je daar doorheen toch ook nog iets van het oog zelf. Om het natuurkundig te zeggen: de traanfilm van het oog vormt een halfdoorlaatbare spiegel. Vandaag ga ik nog even door op die bolle spiegels; het thema oogkleur bewaar ik voor de volgende keer.

Bolle spiegels zijn interessant voor fysici, toeristen en tekenaars; we bespreken ze in die volgorde.

Deze chemicus maakte voorzag zijn fles van een reflecterende coating en maakte er zo een bolle spiegel van.Natuurkundigen zullen je weten te vertellen dat de bolle spiegel een speciaal geval is van een gekromde spiegel, die je steeds kunt beschrijven aan de hand van klassieke optica. Bij een holle of ‘concave’ spiegel wordt het licht geconvergeerd en is er een reëel beeld, dat je op een scherm kunt projecteren (zie bijvoorbeeld hier en hier). Bij een holle of ‘convexe’ spiegel zal het licht juist divergeren (zie bijvoorbeeld hier en hier). Zowel het brandpunt als het krommingsmiddelpunt bevinden zich in de spiegel, maar daar kan geen licht komen: het gaat dus om een virtueel beeld (gevormd door de gereflecteerde lichtstralen denkbeeldig door te trekken tot in de spiegel), dat niet op een scherm geprojecteerd kan worden.

Wel kun je een foto maken van zo’n bolle spiegel. Voor een fotograaf geeft dit interessante mogelijkheden: zoals bij elke spiegel kun je zowel laten zien wat er zich vóór als achter de lens bevindt (inclusief jijzelf). Bovendien wordt alles verkleind weergegeven en kun je dus méér van de omgeving fotograferen dan in een vlakke spiegel. Hieronder zie je een paar voorbeelden. Probeer het gerust ook eens voor je volgende vakantiefoto’s.

Bolle spiegels bieden leuke mogelijkheden voor foto's

Bolle spiegels bieden tal van mogelijkheden voor fotografen. Vanaf linksboven en met de klok mee zie je: een bolle spiegel in de trappenhal van 'World of Illusions' (Edinburgh), de reflectie in een slinger van Foucault, een bolle toiletknop en een stolp op het congres in Warschau.

M. C. Escher tekende in 1935 zijn zelfportret in een reflecterende bol.Wat voor fotografen geldt, geldt natuurlijk ook voor tekenaars. Met name Escher heeft een zeer bekend zelfportret gemaakt, waarbij hij een reflecterende bol in zijn linkerhand houdt. Daarin zie je niet enkel de kunstenaar, maar ook de kamer waarin hij zich bevindt.

Het ideaal van de kubisten om een voorwerp van alle kanten te tonen op een plat vlak, kan dus ook bereikt worden door een tekening of foto te maken van het voorwerp met daarachter een bolle spiegel. Bovendien zouden mensen voorkeur hebben voor ronde vormen. Wie weet heet het kubisme van de toekomst dus wel “sferisme”…

Volgende keer komt oogkleur aan bod. Dan zoek ik ondermeer een antwoord op de volgende vragen. Kunnen ouders die beiden blauwe ogen hebben, toch een kind krijgen dat bruine ogen heeft? En kun je je oogkleur permanent veranderen, met een pilletje of een operatie? Kijk elkaar in de tussentijd maar eens diep in de ogen, maar wees voorzichtig met die macrolens!

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:

Oplossing fotoraadsel en een keukenproefje

Twee weken geleden vroeg ik jullie om mee te raden naar wat er op deze foto staat:

Rara, wat is dit?

Is het de nieuwe diamantplaneet? Of een abstract kunstwerk? Of nog iets helemaal anders???

Er kwamen 13 reacties: 2 op dit blog, 4 via Weetlogs en 7 via Facebook. Vandaag is het tijd voor de ontknoping…

Proficiat aan Steven Vanhullebusch, die met het juiste antwoord kwam: het is inderdaad de bodem van een ketel waarin spaghetti werd gekookt. Als bewijs toon ik hieronder een foto die op dezelfde dag is gemaakt:

Geen planeet, maar de bodem van een ketel.

Welkom op de spaghettiplaneet.

De foto was niet bewerkt, behalve dat ik de context van het beeld had verstopt onder een zwarte rand. Hierdoor werd het zeer moeilijk om de schaal van het voorwerp in te schatten; het kon immers gaan om een opname door een microscoop (suggestie van Thommy S) of door een telescoop (al wisten Youri Vassiliev en Frank Witsel de mogelijkheid van een planeet goed te weerleggen). Het voorwerp kon hol (binnenkant van een schelp) of bol (zeepbel, parel, knikker, …) lijken, maar was dus gewoon plat.

De mooie kleuren die achterblijven in de ketel na het koken van spaghetti fascineren me telkens weer, maar ik vreesde dat ik de enige mens op aarde was die daar foto’s van maakt… Ik kon mijn geluk dan ook niet op toen ik het werk van de Noorse fotograaf Christopher Jonassen ontdekte. Voor zijn boek “Devour” (hetgeen ‘verslinden’ betekent) maakte deze kunstenaar foto’s van verweerde en bekraste bodems van pannen, die hij vervolgens als hemellichamen presenteert. Zo kwam ik dus op het idee voor dit fotoraadsel.

Hoewel het voorwerp op de foto geen zeepbel is – al dan niet gevuld met rook – (gok van Reinout en Pat Mons), geen parel (gok van Danny) of binnenkant van een schelp (gok van Thommy S), geen knoop (gok van Ginette De Veerman) en evenmin een knikker (tweede gok van Pat Mons), krijgen deze pogingen toch een eervolle vermelding. Al deze voorwerpen hebben namelijk iets gemeen met de bodem van een spaghettiketel: hun parelmoerkleuren. De kleuren zijn in al deze gevallen te danken aan hetzelfde fysische fenomeen: interferentie van licht in dunne lagen.

Om te begrijpen hoe de kleurpatronen in een ketel ontstaan, kunnen we best even opfrissen hoe een regenboog ook alweer ontstaat. Zowel zonlicht als het licht van een lamp bestaan uit verschillende kleuren en elk van deze kleuren licht heeft een eigen golflengte. Zo heeft rood licht een langere golflengte dan blauw licht. Wanneer een lichtstraal schuin invalt op het contactoppervlak tussen twee materialen met een verschillende dichtheid (bijvoorbeeld tussen lucht en glas), gaat de straal niet rechtdoor, maar buigt ze af (‘lichtbreking‘ of ‘refractie’). De brekingshoek is niet alleen afhankelijk van de dichtheden, maar ook van de kleur van het licht (‘dispersie‘). Wanneer wit licht op een prisma invalt, zullen de langere golflengten (bv. rood licht) minder gebroken worden dan de kortere golflengten (bv. blauw licht). Zo kun je het spectrum van het licht zichtbaar maken: de kleuren die in de oorspronkelijke witte straal zitten, worden daarbij uit elkaar gehaald. Als de zon schijnt op regendruppels, werkt elke druppel als een klein prisma en zo ontstaat er een regenboog.

Als wit licht invalt op een prisma, wordt de blauwe kant van het spectrum sterker gebroken dan de rode kant.

Als wit licht invalt op een prisma, wordt de blauwe kant van het spectrum sterker gebroken dan de rode kant. (Bron van de animatie: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Light_dispersion_conceptual_waves.gif.)

Wanneer een lichtstraal op een transparant materiaal invalt, splits deze zich in twee: een deel zal van de straal op het oppervlak weerkaatsen (‘reflectie‘) en het andere deel zal in het materiaal doordringen en gebroken worden (‘refractie’). Stel je nu een dunne laag van een transparant materiaal voor, olie bijvoorbeeld. Stel dat er licht op invalt van één welbepaalde golflengte (‘monochromatisch licht‘). Dan vertrekken er van het oppervlak van de olie twee lichtstralen: één lichtstraal die van de bovenkant van de olielaag weerkaatst en één lichtstraal die van de onderkant van het laagje olie weerkaatst (zie dit plaatje). Deze tweede lichtstraal heeft een langere weg afgelegd (twee keer door de dikte van de olie). Licht kan voorgesteld worden als een golf en wanneer twee golven samenkomen (‘superpositie‘), kunnen deze elkaar uitdoven of versterken (‘interferentie‘). Als de golflengte van het gebruikte licht een geheel aantal keer past in de extra weglengte van de tweede lichtstraal (die samenhangt met de dikte van de laag), zullen beide golven in fase zijn en zal er versterking optreden; als de extra weglengte op een geheel aantal plus een halve golflengte uitkomt, zullen de golven in tegenfase zijn en elkaar uitdoven. (Dit is althans het eenvoudigste geval; als er fase-omkering gebeurt, is het precies andersom.) Alle andere gevallen geven iets ertussenin: geen volledige versterking, maar ook geen volledige uitdoving.

Wanneer er nu wit licht invalt op de dunne, transparante laag, dan geldt bovenstaande redenering voor elke golflengte afzonderlijk: bij een bepaalde laagdikte worden sommige kleuren versterkt, terwijl andere worden uitgedoofd. Kijk maar eens naar hoe het licht weerkaatst op een CD- of DVD-schijfje: de transparante beschermlaag op de CD is overal precies even dik en zorgt voor zeer heldere ‘regenboogkleuren’. (Tussen aanhalingstekens, want het zijn niet zoals bij een regenboog spectraal zuivere kleuren!) Als de laagdikte van plaats tot plaats varieert, ontstaan de typische gewolkte patronen van parelmoerkleuren van olie op water, zeepbellen, parels én de bodem van een spaghettiketel (‘iriseren‘).

Als je een beetje rondkijkt in de keuken, kun je overal mooie kleuren zien. Je kunt zo’n kleurrijke vlek trouwens fixeren op papier: laat een druppel transparante nagellak vallen op een kom water en schep de vlek op met donker karton (meer uitleg op deze Engelstalige website). Interferentie is niet alleen mooi, het is ook nuttig: met de interferometer van Michelson (ooit bedacht om het bestaan van ether te bewijzen) kun je de lichtsnelheid bepalen. Ook de antireflectielaag van brilglazen, die groene of paarse reflecties kan veroorzaken, werkt op het principe van interferentie. Meer lezen? Deze website legt interferentie in dunne films eenvoudig uit (in het Engels).

Jullie kunnen me helpen met een eenvoudig experiment in de keuken.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 natriumoxide (op pagina 96 van het boek “Patterns of light“). Ook deze bron houdt het bij een oxide, maar dan van de ketelbodem zelf.

Ik kan me – met de beste wil van de wereld – niet meer herinneren of er zout danwel olijfolie aan te pas is gekomen, die keer dat ik die foto heb gemaakt. Gebrekkige administratie is natuurlijk geen goede manier om een wetenschappelijk experiment te doen. Daarom een oproep aan jullie, beste lezers. De volgende keer dat je pasta kookt, wil je dan een reactie posten als er mooie kleurtjes op de bodem te voorschijn komen? Zo ja, zet er dan bij:

  • of je zout of olie/boter hebt toegevoegd,
  • welk soort pasta het was,
  • van welk materiaal de ketel is gemaakt (als je dit weet).

Dan kunnen we er misschien samen achterkomen waaruit het dunne laagje bestaat dat voor de parelmoerkleuren zorgt in onze spaghettiketels. (Crowdsourcing schijnt hip te zijn, ook in het onderzoek.) Foto’s posten van mooie resultaten mag natuurlijk ook altijd. :)

Wetenschap is leuk om over te lezen, maar nog leuker om te doen – zeker als je het resultaat gewoon kunt opeten. Hartelijk dank alvast voor de reacties en laat het smaken, hè!