Archive for the ‘Fuuzieka’ Category

Een oerknal uit het ondergrondse

januari 8, 2011

Wetenschappers van het Europese onderzoekscentrum voor deeltjesfysica CERN zijn erin geslaagd om een kleine oerknal te veroorzaken, die doet denken aan de omstandigheden waarin ons universum werd gevormd, intussen alweer zo’n 13,5 miljard jaar geleden. “Een soep van tien biljoen graden”,  luidden de krantenkoppen, terwijl onheilsprofeten op het internet waarschuwden voor de vorming van zwarte gaten en de nakende ondergang van de wereld. De soep wordt zelden zo heet gegeten als zij wordt opgediend, maar de signalen die ons vanuit Zwitserland bereiken zijn niettemin belangwekkend.

Een tros subatomaire druiven

De bollebozen in Genève willen een beter inzicht verwerven in de opbouw van de materie en het ontstaan van het heelal. Voor zover wij weten, is alle materie opgebouwd uit talloze moleculen (zoals water), die op hun beurt bestaan uit atomen (zoals waterstof en zuurstof). Een atoom bestaat dan weer uit een kern, waarrond een wolk zweeft van rozijnen, die in nucleaire middens beter bekend staan als elektronen. En een atoomkern oogt als een microscopische tros druiven, waarbij de groene druiven protonen worden genoemd, en de rode neutronen heten. Atoomgeleerden zijn er echter van overtuigd dat ook die subatomaire druiven opgebouwd zijn uit nóg kleinere elementaire deeltjes die zij quarks noemen. Zij hebben ingewikkelde theoretische modellen ontwikkeld om de structuur van de materie te kunnen beschrijven, maar missen tot op heden het broodnodige experimentele bewijs om hun atomaire yoghurt te kunnen staven.

Een katapult voor elementaire deeltjes

Quarks laten zich moeilijk meten, maar ze zijn dan ook reusachtig klein. Bovendien heersen binnen een atoomkern ontzagwekkend sterke krachten, die de hele fruitsla bij elkaar houden. Om het bestaan van quarks aan te tonen, heb je dus nood aan een heel hoge energie (om de druiven uit elkaar te trekken) en uiterst gevoelige sensoren (om de vrijgekomen druivenpitten te kunnen detecteren).

Om zulke elementaire deeltjes te bestuderen, is ter hoogte van de Frans-Zwitserse grens het meest ambitieuze wetenschappelijke experiment sinds mensenheugenis geïnstalleerd: de Large Hadron Collider (LHC). Die constructie bestaat uit een ringvormige tunnel met een omtrek van 27 kilometer, die zich honderd meter onder de grond bevindt. Een volledige omloop zou voor een doorsnee onderzoeker een dagtocht vergen – met een picknick ter hoogte van pi – maar de deeltjes die zij bestuderen leggen dat traject meer dan 10 000 maal per seconde af. De Large Hadron Collider is dan ook een deeltjesversneller, waar protonen onder impuls van magnetische velden een ontzettend hoge snelheid bereiken.

De installatie werd reeds in de herfst van 2008 in gebruik genomen, maar bleek aanvankelijk behept met allerhande kinderziekten. De kwalen varieerden van defecte transformatoren over lekkend helium tot gesmolten supermagneten. Op internetfora circuleerde zelfs het bericht dat een indringer -niet toevallig begin april- had gepoogd de opstelling te saboteren. De man bleek verward, en bleef beweren dat hij uit de toekomst kwam. Maar inmiddels zijn alle defecten hersteld, en raakt de Large Hadron Collider op kruissnelheid. En voor een deeltjesversneller betekent dit: de lichtsnelheid.

De Big Bang in het klein

Eind 2010 werden protonen in tegengestelde richtingen versneld tot zij bijna de magische grens van de lichtsnelheid (nagenoeg 300 000 kilometer per seconde) bereikten. Vervolgens werden die ultrasnelle bundels protonen frontaal tegen elkaar geslingerd. Zulke kosmische botsingen gaven aanleiding tot de vorming van uiterst condense en bloedhete materie, die vergelijkbaar is met de aard van het universum vlak na de Oerknal of Big Bang. Naderhand zijn de protonen vervangen door zware loodkernen, die ook neutronen bevatten. Bij die botsingen komt nóg meer energie vrij, en worden allerhande elementaire deeltjes weggeslingerd. De eerste experimenten laten uitschijnen dat gedurende een heel korte tijd een plasma van quarks wordt gevormd, bij een temperatuur die honderden keren hoger ligt dan in het centrum van onze zon.

Thermodynamische schizofrenie

Vanuit thermodynamisch standpunt is dat een hoogst schizofrene toestand: de supermagneten van de deeltjesversneller worden immers afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt (zo’n 273 °C ónder het vriespunt), terwijl binnenin het plasma de hoogste temperatuur heerst die ooit werd bereikt sinds de vorming van ons Heelal. Maar ook op andere fronten vormt de LHC een clash in dimensies: zo is een tunnel van maar liefst 27 kilometer nodig om protonen te versnellen die een miljard keer kleiner zijn dan een duizendste van een millimeter, en worden sensoren van ruim 10 000 ton ingezet om elementaire deeltjes te detecteren waarvan nog niet eens ondubbelzinnig duidelijk is of ze wel een massa hebben.

De op handen zijnde experimenten in het CERN oogsten ook heel wat controverse. Onheilsprofeten voorspellen immers dat tijdens de testen zwarte gaten kunnen vormen, die de aarde zullen vernietigen. En hoewel de wetenschappers in Genève goochelen met lichtsnelheden, zal het zo’n vaart niet lopen. Maar als de analyse van de resultaten hun theoretische vermoedens bevestigt, dan herbergen deze experimenten wel het potentieel om de fysica op haar grondvesten te laten daveren.

© 2011 – Labo Vekalie

Advertenties

Heksenketels en luchtspiegelingen

augustus 29, 2010

We kennen allemaal wel die bibberende beelden boven een gloeiend hete tarmac, waardoor het lijkt alsof er olie op de landingsbaan ligt. Maar waar komt zo’n Fata Morgana plots vandaan? En is het slechts een geintje van onze hersenen, of daadwerkelijk een fysisch fenomeen? We spiegelen je meteen de antwoorden voor!

Fata Morgana is een heks

De term fata morgana is ontleend aan het Italiaans, en verwijst naar Morgan le Fay, de hogepriesteres uit de overlevering van koning Arthur. Zij zou luchtspiegelingen veroorzaken in de Straat van Messina, voor de kust van Sicilië. Een verklaring voor die legendes over vliegende kastelen en schepen die nooit de kust konden bereiken, kan echter gevonden worden in… de fysica, uiteraard!

Gloeiend asfalt werkt als een lens

Het ontstaan van een fata morgana of luchtspiegeling bij bv. gloeiend heet asfalt valt te verklaren door het grote verschil in temperatuur. De dunne, warme luchtlaag dicht bij de grond heeft andere eigenschappen dan de koudere, hoger gelegen luchtlagen. Hierdoor kunnen lichtstralen afgebogen worden, waardoor het asfalt eigenlijk fungeert als een lens. In de optica spreekt men van refractie, omwille van een verschil in brekingsindex. Dat klinkt misschien ingewikkeld, maar je kunt dit verschijnsel ook waarnemen wanneer je een rietje in een glas water stopt. Door het verschil in brekingsindex tussen de lucht en het water lijkt het rietje te verschuiven.

Door het verschil in brekingsindex tussen de lucht en het water lijkt het rietje te verschuiven

Bij de warme en koude luchtlagen boven het asfalt gebeurt net hetzelfde, waardoor de lucht weerspiegeld wordt op de grond. Onze hersenen kunnen dat moeilijk begrijpen, en denken daarom dat er olie op de startbaan ligt.

Een oase van bedrog

Een fata morgana in de woestijn is een combinatie van zo’n luchtspiegeling met een verregaande vorm van zinsbegoocheling. De refractie van een staalblauwe hemel en dorre rotsen lijkt voor een dorstig oog inderdaad algauw op een weelderige oase met dito oeverbegroeiing. Hallucinerende pelgrims denken een meer te zien, en dromen daar graag palmbomen bij. De bevreemdende luchtspiegelingen versterken hun waan, waardoor zij beginnen geloven in cactussen met kraantjes waaraan zij hun dorst willen laven.

Een fata morgana in de woestijn is een combinatie van luchtspiegeling en zinsbegoocheling

Superieur of inferieur?

De meest voorkomende fata morgana is een zogenaamde inferieure (of neerwaartse) luchtspiegeling, zoals hierboven verklaard. Het omgekeerde fenomeen (een superieure, of bovenwaartse fata morgana) kan echter ook optreden, maar is zeldzamer. Hiervoor moet de onderste luchtlaag  immers kouder zijn dan de hoger gelegen luchtlagen. Zo’n temperatuursinversie is ongebruikelijk, maar kan voorkomen in ijsrijke gebieden. Bij een superieure fata morgana worden de lichtstralen in de andere richting afgebogen, waardoor je voorwerpen kunt waarnemen die eigenlijk achter de horizon verborgen zijn!

Het kan bovendien het wedervaren van poolreizigers verklaren die met stellige zekerheid beweren vliegende schepen te hebben gezien. De zeemansverhalen over zingende inktvissen, naakte zeemeerminnen en dansende demonen vallen echter tot nader order toe te schrijven aan het buitensporig gebruik van rum of andere geestesrijke drank… 

© 2010 – Labo Vekalie

Koorddansen op de kennisgrens

augustus 28, 2009

In zijn meest naakte essentie is wetenschap het bestendig laven van de dorst naar kennis. Onderzoekers stellen systematisch àlles in vraag, en dulden daarbij geen dogma’s. Wetenschappelijk onderzoek vergt derhalve een voortdurend vorsen naar waarheid, en een soms delicaat koorddansen op de kennisgrens. Onderstaand artikel geeft een summier overzicht van de stand van zaken in de diverse takken van de wetenschap, en de grootste uitdagingen voor de toekomst.

Man on Wire

 

Fysica als moeder van alle wetenschap

Fysica of natuurkunde is de moeder van alle wetenschappen, en hanteert de wiskunde als taal om haar theorieën vastere vorm te geven. De klassieke mechanica beschrijft bv. de baan van de planeten in ons zonnestelsel, voorspelt het traject van een kanonskogel, of kan de snelheid van een projectiel berekenen. Het elektromagnetisme bestudeert dan weer de wisselwerking tussen elektrische en magnetische velden, en laat toe om elektrische netten te begroten of magnetische fenomenen te verklaren. Een fascinerende tak van de sterrenkunde is de kosmologie, waar men het ontstaan, de structuur en de evolutie van het heelal tracht te begrijpen. Subatomaire fysica, zoals de kwantummechanica, bestudeert het gedrag van elementaire deeltjes; terwijl de relativiteitstheorie de effecten van zwaartekracht bij heel hoge snelheden voorspelt.

Met voorsprong de grootste uitdaging in de moderne fysica is het kneden van één fysische theorie, die in staat is om alle voornoemde fenomenen te beschrijven en te verklaren. Zo’n universele theorie moet dus het grillige, en nauwelijks voorspelbare gedrag van uiterst kleine deeltjes kunnen verzoenen met de structuur van gigantische sterrenstelsels, terwijl zij tevens de wetten van de relativiteitstheorie respecteert, en het bestaan van zowel elektrische als magnetische velden toelaat.

Hoewel die allesomvattende theorie (nog) niet voor morgen lijkt, zijn de recente ontwikkelingen alleszins fascinerend. Zo suggereert de (super)snaartheorie bijvoorbeeld het bestaan van verschillende werelden of realiteiten, die echter elk aan een verschillende frequentie trillen. De M-theorie tracht dan weer de verschillende supersnaartheorieën samen te smeden tot een hyperuniversum in elf dimensies. De bouw van de deeltjesversneller in Genève moet meer inzicht verschaffen in deze nog grotendeels onontdekte wereld. Recent werd de Nobelprijs voor de natuurkunde trouwens nog toegekend aan drie wetenschappers die een doorbrak hadden bereikt in het onderzoek naar de symmetrie-eigenschappen van elementaire deeltjes.

Scheikunde als cataloog van alle elementen

Reeds eeuwen geleden trachtten alchemisten lood om te vormen in goud, middels ingewikkelde (en bovenal ontzettend zinloze) formules. Chemie of scheikunde heeft sinds mensenheugenis veel interesse gewekt, vermits wij nu eenmaal willen weten hoe alle stoffen in elkaar steken. Scheikunde, zoals de naam laat vermoeden, bestudeert het scheiden van stoffen tot hun elementaire bouwstenen, met de heimelijke ambitie om ze naderhand opnieuw samen te smeden tot edeler materialen. Dankzij de scheikunde bestaat aspirine tegen de hoofdpijn, wordt ruwe olie geraffineerd tot benzine of kunststof, kan textiel geverfd worden, en kunnen wij genieten van een frisse pint.

Hoewel de scheikunde zich aanvankelijk richt tot het scheiden van stoffen, ligt haar grootste toekomstpotentieel net in het samenstellen van verschillende atomaire deeltjes. De huidige (en vaak gecontesteerde) kerncentrales werken immers op het principe van kernfissie, waarbij energie vrijkomt bij het splitsen van atoomkernen. Een grote doorbraak zou echter kernfusie zijn, waarbij reusachtig veel energie vrijkomt door kernen opnieuw samen te smelten. Het onderzoek naar deze techniek, die eensklaps alle energieproblemen zou kunnen oplossen, staat echter nog in de kinderschoenen. Zo moet vandaag nog een atoombom tot ontploffing worden gebracht om de juiste voorwaarden te creëren waaronder kernfusie kan plaatsvinden…

Geneeskunde is dienstbare wetenschap

De geneeskunde is wellicht de meest nobele van alle toegepaste wetenschappen. Haar ambitie ligt immers niet laner dan het remediëren van kwalen, en het helen van zieke mensen. De voorbije decennia is hierbij veel aandacht gegaan naar het ontrafelen van de geheimen die besloten liggen in ons desoxyribonucleïnezuur, beter bekend als DNA. Dit DNA, dat teruggevonden wordt onder de vorm van chromosomen, lijkt op een wenteltrap, en bevat nagenoeg alle erfelijke informatie die in onze genen zit. Een beter begrip van DNA kan leiden tot een scherper inzicht in de werking van erfelijke ziektes, en op termijn kunnen genetische manipulaties zelfs fungeren als een feilloos vaccin.

Ook stamcelonderzoek oogstte de voorbije jaren wel vaker controverse. Stamcellen, die men in groten getale bij embryo’s aantreft, zijn de meest maagdelijke bouwstenen van ons organisme. Een stamcel is in staat om zich te veranderen in ieder mogelijk type cel, m.a.w. zij kan nog uitgroeien tot ee nstukje oor, een deel van de lever, of zelfs een neushaar. Stamcellen lijken dus het ultieme recept om verwoestende ziektes als kanker te kunnen behandelen.

De grote uitdagingen van de geneeskunde zijn zonneklaar: zoeken naar therapieën voor levensbedreigende ziektebeelden als kanker, aids of alzheimer. Dit onderzoek is dus andermaal een delicaat koorddansen op de kennisgrens, dat niet zelden uitmondt in een ethisch debat.

© 2009 – Labo Vekalie