Van de miljarden botsingen in de Large Hadron Collider, de enorme versnellingsring van het CERN op de grens van Frankrijk en Zwitserland waarmee protonen tegen elkaar worden gebeukt, worden er maar enkelen geanalyseerd. De rest wordt gezien als niet-interessant of “vervuild” omdat er onregelmatigheden in voorkomen. Dat is niet zo slim, stelt een groep onderzoekers. Deze onregelmatigheden zouden wel eens een goudmijn aan experimentele gegevens voor afwijkende natuurkundige theorieën kunnen opleveren.
Theoriegeladenheid van de waarneming
Wellicht herinnert u de stelling nog van een college wetenschapsfilosofie. Waarneming is theoriegeladen. Stel, je ziet een groot plantaardig ding ergens staan.
Eend of konijn? Het hangt er vanaf wat voor theorie je over dit plaatje in je hoofd hebt.
Een stedeling zal zeggen: een boom. Een plattelandsbewoner met meer natuurkennis zal hetzelfde groeisel aanduiden als een esdoorn. Een boomkweker kan misschien zelfs de cultivar herkennen. Een kind ziet een spannend ding om in te klauteren. Een ambtenaar ziet een stuk natuurwaarde (of, vaker, een lastig obstakel voor het nieuwe winkelcentrum dat voor de realisatie van de vierde doelstelling van het vijfjarenplan absoluut noodzakelijk is).
Alle zien ze hetzelfde object, maar door hun verschillende kennis en wereldbeeld interpreteren ze deze anders. Kortom: je kennis en de ideeën waarin je gelooft bepaalt heel sterk wat je ziet. Voor wetenschappers geldt dit nog sterker omdat ze met vaak zeer ingewikkelde wetenschappelijk instrumenten werken. Achter die instrumenten zit vaak een ingewikkelde theorie. Alles wat buiten deze theorieën valt, is in principe niet met het instrument waar te nemen of wordt gezien als een meetfout. Bij de natuurkundeopleiding leer je om al te afwijkende meetpunten weg te gooien. In landbouw- of biologisch onderzoek is dit een wetenschappelijke doodzonde als je daar geen heel goede reden voor hebt (bijvoorbeeld omdat je constateert dat een konijn de maïszaailingen in plot C3 heeft opgegeten), want daarmee verpest je de statistische eigenschappen van de proef.
Monomanie op de LHC?
De Large Hadron Collider is één van de duurste wetenschappelijke instrumenten ooit gebouwd. Onderzoekstijd op de LHC is schaars. Op dit moment wordt het meeste onderzoek gedaan om slechts één vraag te beantwoorden: bestaat het Higgsdeeltje? Het Higgsdeeltje is een door het Standaardmodel (het natuurkundige model dat het gedrag van alle tot nu toe ontdekte deeltjes geheel verklaart) verondersteld deeltje dat moet verklaren waarom sommige elementaire deeltjes zoals quarks en elektronen massa hebben. De LHC doet niets anders dan miljarden malen achter elkaar protonen opzwepen tot iets minder dan de lichtsnelheid en vervolgens op elkaar laten beuken. De bedoeling is dat er in ieder geval in enkele van die botsingen Higgsdeeltjes aan te treffen. Andere vragen, afkomstig van minder populaire theorieën, blijven daarentegen onderbelicht. Logisch: er is maar een beperkte tijd beschikbaar om te meten en er komt werkelijk een onvoorstelbare hoeveelheid data uit de LHC: per jaar vijftienduizend harde schijven. Alle botsingen waar niet precies iets uitkomt wat lijkt op een Higgsdeeltje, wordt weggegooid. Mogelijk zitten hier uiterst interessante dingen tussen.
Anomale botsingspaden
Deeltjesfysici Patrick Meade, Michele Papucci en Tomer Volansky vinden dat laatste niet erg slim. Ze stellen nu voor om ook te letten op andere “anomale botsingspaden”: gedrag van deeltjes die zich zeer afwijkend gedragen.
In een bellenkamer laten geladen deeltjes een spoor na van bellen. Zo werd het positron ontdekt.
In tegenstelling tot de extreem nauwkeurige kwantumelektrodynamica, de theorie die elektromagnetisme op kwantumschaal beschrijft (dertien decimalen precies; de nauwkeurigste theorie ooit) is kwantumchromodynamica niet erg. Op zich is dat ook logisch: kerndeeltjes, vooral quarks: de bestanddelen van protonen en neutronen, zijn veel lastiger te meten dan de veel handelbaarder elektronen. Tot overmaat van ramp reageren gluonen, de deeltjes waarmee quarks op elkaar reageren, ook nog met elkaar, wat betekent dat zelfs het gedrag van een enkel proton of neutron al een wiskundige nachtmerrie wordt. Laat staan een complete atoomkern van, zeg, goud of uranium. Het betekent echter ook dat QCD wel eens niet kan kloppen en er zich allerlei nog onbekende deeltjes met afwijkend gedrag schuilhouden in de zee van gevormde deeltjes.
Op deeltjessafari
Afwijkend gedrag van deeltjes die in alternatieve theorieën voorkomen kan onder andere bestaan uit kinks: sporen die plotseling van richting lijken te veranderen zonder een tweede knooppunt, sporen die uit het niets lijken op te duiken, afwijkende relaties tussen energie en afstand, afwijkingen in timing, ‘normale’ sporen die minder hits (‘bubbels’) dan normaal opleveren, afwijkende krommingen en sporen die oplossen in het niets. Opmerkelijk genoeg stellen de drie dit soort verschijnselen al waar te hebben genomen in diverse botsingsproeven.
Het drietal stelt als echte experimenteel natuurkundigen voor om gewoon op deeltjessafari te gaan, afwijkende verschijnselen er uit te pikken en ons domweg te laten verrassen door wat Moeder Natuur ons voorschotelt. Gezien de niet bijster indrukwekkende resultaten van veertig jaar snaartheorie, klinkt dat als een zeer aantrekkelijk voorstel. We weten niet alles. Dat maakt wetenschap nou juist zo leuk.
Het antwoord op een vraag binnenkrijgen zodra je hem in gedachten formuleert? Een extreem lastige differentiaalvergelijking in een fractie van een seconde oplossen? Een herinnering uploaden naar een computer om hem met je vriend of vriendin te kunnen delen of zelfs je complete geest van het ene lichaam naar het andere overhevelen? Het klinkt als krankzinnige science-fiction, maar recent onderzoek toont aan dat het mogelijk is om hersencellen met chips te laten communiceren.
Hersen-computer interface
Het zou enorm veel mogelijkheden opleveren als we er op de een of andere manier in zouden slagen computerchips met menselijke neuronen te laten communiceren.
Brein-computerinterface, schematisch.
De hersen-computer interface, of wetware, zoals transhumanisten dit concept noemen, is één van de meest veelbelovende technologieën om de menselijke capaciteiten op te voeren. Onze menselijke brein heeft een aantal unieke capaciteiten die nog niet door computers zijn geëvenaard. Daarentegen bezitten computers een aantal vaardigheden die voor mensen jaloersmakend zijn. Computers hebben bijvoorbeeld niet het minste probleem om dingen als getallen of een complete encyclopedie als teksten te onthouden en kunnen rekenen met letterlijk de snelheid van het licht. Waarom niet het beste van twee werelden samenvoegen? Helaas zijn er nog veel problemen met het uitvoerenvan dit idee. Zo is nog verre van duidelijk hoe het menselijke brein op grotere schaal functioneert.
Neuronen en computers praten totaal andere taal
Begrijp je je computer niet? Geen wonder. De tegenwoordige generatie computers werkt met stroomstootjes die in twee varianten voorkomen: ‘uit’ en ‘aan’. De computer moet exact gesynchroniseerd blijven om zo te bewerkstelligen dat er geen communicatiestoornissen optreden: de inwendige klok. Neuronen werken op een heel andere manier. Om te beginnen heeft ons brein meer weg van een extreem complex driedimensionaal spinnenweb dan van het strak geregelde inwendige van een computer. Neuronen zijn zowel rekeneenheden als doorgeefmiddelen voor informatie. Je kan ze misschien nog wel het beste vergelijken met de futuristische memristoren. Ook de signaaloverdracht tussen neuronen is totaal anders dan tussen computeronderdelen. Weliswaar wisselen neuronen stroomstoten via de lange, uitgestrekte dendrieten, maar ook de snelheid waarmee deze worden afgevuurd is van belang. Kortom: samenwerking tussen computers en hersencellen is erg lastig.
Kunstmatige dendrieten gebouwd
Het is al langer bekend dat zenuwcellen hun lange uitlopers laten zoeken naar andere zenuwcellen. Tot nu toe was nog niet opgehelderd of dit het resultaat is van toevalsprocessen of dat er een bepaald signaal is waardoor deze worden geprikkeld.
Soms laten neuronen hun dendrieten door kleine buisjes groeien. Kan je op die manier mensen met een dwarslaesie weer laten lopen?
Op grond van eerdere experimenten werd al vermoed dat elektrische spanning hier iets mee te maken heeft. Het is onderzoekers nu voor het eerst gelukt om zenuwcellen van een muis hun dendrieten in een buisje te laten groeien en het parcours van het buisje te laten volgen – naar een andere zenuwcel. In principe kan je op die manier een neuraal netwerk van zenuwcellen bouwen, verwachten de onderzoekers. De onderzoeker hopen de onderlinge communicatie tussen zenuwcellen af te kunnen luisteren en er zo achter kunnen komen hoe zenuwcellen onderling communiceren. Als eerste praktische toepassing zou een computer signalen die binnenkomen van één kant, kunnen versterken en doorgeven aan de andere kant. Een uitkomst voor patiënten met een dwarslaesie, waarbij de zenuwbaan tussen hersenen en onderste ledematen is doorgesneden. Mogelijk wordt het in een later stadium ook mogelijk om informatie uit te wisselen met het menselijk brein.
Nederland kent een enorm tekort aan donororganen. Slechts een klein deel van de bevolking heeft een donorcodicil ingevuld en slechts een klein deel van alle sterfgevallen levert een bruikbaar donororgaan op.
Een levende orgaandonor is in veel opzichten ideaal. Waarom niet iemand die het leven van een medemens heeft genomen dwingen om het leven van een ander mens te redden?
Situatie met donororganen penibel
In Nederland overlijden honderd mensen per jaar die op de wachtlijst staan voor een donororgaan. Honderd mensen per jaar sterven omdat ze niet op tijd een donororgaan krijgen. Er worden ook honderdvijftig mensen per jaar vermoord. Kunnen moordenaars niet donororganen leveren? De reden is dat er maar weinig sterfgevallen zijn waarbij het lichaam nog in een goede conditie is. De belangrijkste doodsoorzaken: hart-vaatziekten en kanker, zijn ouderdomsziekten waarbij het lichaam van de patiënt na een langdurig ziekbed is gesloopt en in het geval van kankerpatiënten is bezaaid met tumorcellen. In feite komen vooral verkeersslachtoffers in aanmerking voor transplantaties. Echter: door de boeteregen en allerlei maatregelen om de verkeersveiligheid te bevorderen worden dit er steeds minder. Kortom: we kampen met een structureel tekort aan donororganen.
Steeds meer wanhopige patiënten met een de-facto doodvonnis gaan op zoek naar een nier of ander donororgaan in een arm land. De donor, vaak nauwelijks geschoold en afkomstig uit een achtergestelde groep, ontvangt maar een klein deel van het geld dat de Nederlandse patiënt betaalt. Het meeste geld verdwijnt in de zakken van tussenpersonen. Kortom: een schrijnend geval van uitbuiting van arme mensen; alleen als vrijwel alle geld bij de donor terecht zou komen zou er iets voor deze constructie te zeggen zijn.
Een nier of stuk lever voor een leven
In Nederland worden per jaar rond de 150 moorden gepleegd. Verreweg de meeste moorden vinden door één dader plaats. Het gaat hier meestal om jonge mannen in een uitstekende lichamelijke conditie. Kortom: een uitstekende bron van donororganen in een goede conditie.
Ethici zullen dit een ernstige schending van de lichamelijke integriteit noemen. Dat klopt. Gedwongen orgaantransplantatie is dat zeker. Echter: een moord is een nog veel ernstiger inbreuk op de lichamelijke integriteit. Ook de jarenlange vrijheidsbeperking die een gevangenisstraf inhoudt, is een schending van de mensenrechten. Elke bestraffing betekent het schenden van rechten van de veroordeelde. In tegenstelling tot andere straffen redt deze straf een leven: heeft dus netto een positief effect. Het enige positieve effect van gevangenisstraf is dat een misdadiger een paar jaar geen ellende kan aanrichten.
Therapeutische waarde
Voor nabestaanden van het slachtoffer kan het goed zijn om te weten dat in ieder geval de moordenaar ook een lichamelijke prijs betaalt voor zijn misdaad en dat in ieder geval de dood van zijn of haar dierbare niet tevergeefs is geweest (de reden dat nabestaanden vaak toestemming geven voor transplantatie). Ook kan dit de moordenaar (als dit geen psychopaat is) helpen om in het reine te komen met de schuldgevoelens, die deze in veel gevallen heeft door zijn daad.
Met een simpele, maar baanbrekende uitvinding is uitvinder Jonathan Liow er in geslaagd om een zeer netelig probleem in onder andere dorpen zonder schoon drinkwater en vluchtelingenkampen op te lossen.
Er vallen ieder jaar vijf miljoen doden door vervuild drinkwater.
Uitvinder Jonathan Liow met de SolarBall
Dit krijgt weinig aandacht in de media omdat uitgedroogde kindertjes een stuk minder mediageniek zijn dan kruisraketten en brallende dictators, maar dit is verreweg de grootste humanitaire ramp in de wereld.
De uitvinding van Jonathan Liow, de SolarBall, is zowel simpel als baanbrekend. Een grote transparante bol verzamelt zonne-energie waardoor het water verdampt. Het gedestilleerde water drupt naar beneden en kan worden afgetapt en gedronken. Drie liter water is wat een volwassen mens per dag nodig heeft in een woestijnklimaat.
De bol is vervaardigd van het zeer sterke polycarbonaat. Door de eenvoudige constructie is de bol robuust en kan eenvoudig worden vervaardigd.
Als de negenhonderd miljoen mensen die op dit moment een gebrek aan schoon drinkwater hebben, alle een SolarBall zouden bezitten – iets wat niet meer dan enkele tientjes per persoon zou kosten – zou dit miljoenen levens per jaar redden.
Misschien iets om over na te denken als weer eens de zoveelste politicus op televisie verrukt kraait over het redden van mensenlevens, door peperdure straaljagers explosieve eitjes te laten leggen…
Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat er een enorme explosie. Bestaan er grote hoeveelheden antimaterie in het heelal? Als dat zo is, weten we nu hoe we dat uit kunnen vinden.
Antihelium-4 werd gevormd door een miljard goudatoomkernen op elkaar te beuken.
Naast materie bestaat er ook antimaterie. Voorspeld door kwantumgrootheid Paul Dirac als een ‘gat’ in de Diraczee van elektronen, was het positron, een anti-elektron, het eerste antimateriedeeltje ooit dat is ontdekt. De Diraczee wordt nu als model wat minder elegant gevonden, maar het positron bleek een blijvertje. Er volgden snel meer ontdekkingen: ook protonen en neutronen blijken antimaterie-tegenhangers te hebben. Antiprotonen en antineutronen zijn opgebouwd uit antiquarks. Er bestaan ook antineutrino’s. Het foton is zijn eigen antideeltje.
Totale vernietiging
Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar totaal. Letterlijk alle massa wordt compleet omgezet in energie in de vorm van elektromagnetische straling. Zelfs bij kernfusie, het energierijkste proces dat we in de praktijk kennen, wordt ‘maar’ 0,7% van alle massa in energie omgezet. Als één gram materie en antimaterie in energie wordt omgezet, komt evenveel energie vrij als bij de kernexplosie in Hiroshima.
Anti-atomen
Uit antimateriedeeltjes zijn atomen te bouwen, waarin positronen met antiprotonen (en eventueel antineutronen in de kern) een atoom vormen. Het kost extreem veel energie om antimaterie te produceren. Als gevolg hiervan zijn antimateriedeeltjes extreem heet en is het zeer lastig om ze samen te laten voegen tot atomaire materie. Het is in 2010 gelukt met antiwaterstof, bestaande uit een antiproton met een positron.
Antihelium: zeer lastig te fabriceren, toch geslaagd
Antimaterie moet letterlijk vanaf de basis, kerndeeltje bij kerndeeltje, worden opgebouwd. Vooral twee geladen antiprotonen bij elkaar brengen is extreem lastig. Antihelium bestaat uit twee antiprotonen en twee antineutronen. Met “gewone” materie is dit al uiterst lastig – de reden dat kernfusie nog steeds niet als energiebron kan worden gebruikt.
Dus werd door de onderzoekers besloten domweg uiterst bruut geweld toe te passen. Helaas kost elk extra antiproton of antineutron in een antimateriekern die op deze manier wordt vervaardigd, duizend keer zoveel energie.
Een miljard goudkernen werd met bijna de lichtsnelheid (een energie van 200 miljard elektronvolt per goudkern) op elkaar gebeukt in de Relativistic Heavy Ion Collider van het Amerikaanse onderzoekslaboratorium Brookhaven. Het brute geweld had resultaat: achttien antihelium-4 kernen. Daardoor weten we dat antihelium bestaat en hoe het zich fysisch gedraagt.
Sterren van antimaterie?
Dat laatste is belangrijk. Volgens sommige (overigens niet erg populaire) theorieën bevinden zich elders in het heelal grote concentraties antimaterie. De aanwezigheid hiervan zou je kunnen vaststellen uit kosmische straling. We weten nu dat antihelium-4 bestaat en dat het een biljoen maal minder voor moet komen dan antiwaterstof, als er in dit heelal alleen materie op grote schaal voorkomt.
Bestaan er ook antimateriesterren en -planeten, dan moet deze verhouding in de kosmische straling hoger zijn, want ongeveer een kwart van alle massa in atomen is helium. Dat zou ook voor antimaterie gelden. Het bestaan van grote hoeveelheden antimaterie zou kosmologisch en natuurkundig grote consequenties hebben. Ook weten we dan in de verre toekomst waar we aan werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie kunnen komen.
Nederland is zeer welvarend. Onder andere komt dat omdat we hier één van de grootste gasbellen ter wereld onder de grond hebben, maar er is meer. Zo heeft Nederland behoorlijk wat profijt van bepaalde geografische omstandigheden…
Het gemopper van de Nederlanders niettegenstaande, is Nederland een van de rijkste landen ter wereld. Voor een belangrijk deel komt dat door voor de hand liggende redenen als de ligging tussen andere welvarende gebieden. Maar dat is lang niet alles.
Vruchtbare bodem, mild regenachtig zeeklimaat
Windmolens zijn overblijfsels van de eerste Nederlandse industriéle revolutie.
Nederland ligt voor het grootste deel op voormalige zeebodem of rivierbedding. Dit betekent dat dikke pakketten zeeklei en rivierklei op de oppervlakte liggen. Kleibodems kunnen veel mineralen en vocht vasthouden, waardoor de meeste gewassen op kleigrond veel meer opbrengst geven dan op zandgrond.
Dit is de reden dat Nederland, vooral het westelijk deel, al sinds de Middeleeuwen een veel dichtere bevolking kon onderhouden dan de meeste andere landen.
De toenemende bevolkingsdruk leidde tot het inpolderen van meertjes en stukken zee, waardoor nog meer vruchtbare landbouwgrond beschikbaar kwam.
De regenval in Nederland is veel regelmatiger dan in landen met een landklimaat. Als gevolg hiervan mislukken oogsten in Nederland een stuk minder snel dan in veel andere landen.
Geografie dwingt tot organisatie en samenwerking
Een groot deel van Nederland ligt onder water. De Nederlanders kwamen al diverse malen op onzachte wijze in aanraking met de kracht van het water. De laatste grote overstroming was de ramp in 1953, naar aanleiding waarvan de Deltawerken zijn gebouwd.
Alleen door samenwerking zijn landerijen te beschermen tegen het water (de door de individualistische Friezen gebouwde terpen beschermden slechts één boerderij). Niet voor niets waren de eerste bestuursorganen in Nederland de waterschappen, die de waterhuishouding en dijken controleerden.
Een sterke sociale controle en organisatiegraad is essentieel om een dijk in stand te houden. In tegenstelling tot landen met een grootschalig irrigatiesysteem zoals Egypte en Irak, is een dijk niet door één potentaat die aan het begin van de waterbron zit te controleren. Een dijk is een ‘common good’ waarvan het nut niet afhangt van iemands positie. Als de polder onderloopt betekent dat schade voor iedere boer. Dat bevordert een democratische regeringsvorm. Kortom: de Nederlanders werden door de natuur gedwongen op democratische wijze samen te werken.
Natuurlijke transportwegen naar Zwitserland en Noord-Frankrijk
Nederland ligt op het snijpunt van twee belangrijke stroomgebieden: dat van de Maas en de Rijn. Nederland beheerst ook de monding van de Schelde, de levensader voor Antwerpen, de grote concurrent van de Rotterdamse haven. De verleiding is voor de Nederlanders dan vaak ook groot om deze af te knijpen, wat de Belgen geregeld tot razernij brengt.
Transport was in Nederland nooit een erg groot probleem. Ook zeer zware ladingen kunnen met gemak met grote schepen door de enorme, brede rivieren worden vervoerd.
Dit voordeel is veel groter dan het beperkte nadeel dat de hinder door de obstakels die rivieren voor wegen vormen, oplevert. Steden op waterknooppunten zoals Rotterdam konden hier al snel van profiteren. Ook nu nog is de Rotterdamse haven de economische motor van Nederland met via Rijn en Maas een benijdenswaardige toegang tot bijna heel West-Europa. Grote ladingen goederen worden daarom meestal in Rotterdam overgeslagen.
Slochteren: zegen of vloek?
De ontdekking van een van de grootste aardgasvoorraden ter wereld in het Groningse plaatsje Slochteren (3000 miljard kuub aardgas) verschafte de Nederlandse regering een enorme hoeveelheid inkomsten. Tweeduizend miljard kubieke meter is al verkocht, vaak tegen lachwekkend lage prijzen. Dit leverde de Nederlandse schatkist enkele honderden miljarden euro’s op, die voornamelijk werden besteed aan het meest riante sociale-zekerheidsstelsel van West-Europa en het uitbouwen van een enorme overheidsbureaucratie. Het gevolg: grote groepen inactieven. Wel konden door de hoge gasinkomsten de belastingen in Nederland lager blijven dan in buurland België.
Een lot uit de loterij?
De gunstige geografische ligging maakte Nederland uiteraard een geliefd doelwit voor buitenlandse machten. De Nederlanders behielden hun onafhankelijkheid door als onafhankelijk land nuttiger te zijn dan als bezet gebied. Ook stelde de efficiënte sociale organisatie de Nederlanders in staat voorop te lopen op technologisch gebied, ook op militair terrein.
Dit ging in de vier eeuwen dat Nederland een onafhankelijke staat is over het algemeen goed. In twee gevallen – de Napoleontische bezetting en de nazitijd – werd heel Europa beheerst door één continentale macht, waardoor de traditionele strategie niet meer werkte en Nederland toch onder de voet werd gelopen.
Nederlanders als vredesduiven
Nederland bestaat van de handel tussen Europese landen en van Europa met de rest van de wereld. Oorlogen tussen Europese landen zijn niet in het belang van Nederland. Dat vermindert immers hun onderlinge handel.
Ook worden conflicten in Nederland meestal met de mantel der liefde bedekt en is het bereiken van een consensus heel belangrijk. In de Nederlandse mindset is het vreedzaam regelen van conflicten daarom ingebakken.
De laatste keer dat Nederland Europese supermachtallures had – in 1673 – werd het aangevallen door vier landen tegelijkertijd. De Hollandse Waterlinie – het onder water zetten van de polders die het Hollandse hartland omringen – is een nogal destructieve verdedigingstactiek die bij de moderne oorlogsvoering – denk aan Hitlers parachutisten – niet meer werkt. Vandaar dat de Nederlanders nu hun heil zoeken in internationale samenwerking. Alleen door te voorkomen dat er weer een overheersende Europese macht komt, kan Nederland haar onafhankelijkheid bewaren. De Britten hebben een soortgelijk belang – de reden dat Nederlanders en Britten het op Europees niveau gewoonlijk goed met elkaar kunnen vinden.
Vergeet huisdieren die tot handtas worden verwerkt en de vloer ondersmeren met pindakaas. Een echte kunstenaar doet aan genetische manipulatie als kunst. Een paar voorbeelden. Grensverleggend of is dit pas echt entartete Kunst?
Opgloeiend konijn De Braziliaanse kunstenaar Eduardo Kac bouwde met behulp van een bevriende biogeneticus al in het jaar 2000 het gen voor Green Fluorescent Protein, GFP, in in het albinokonijn Alba.
Het gen was afkomstig van de fluorescerende zeekwal Aequorea Victoria. Het konijn is zonder bijzondere belichting kleurloos.Pas op het moment dat het konijn wordt beschenen met blauw licht, begint het groen te fosforesceren.
Kac wilde hiermee een discussie uitlokken. Er zijn in de VS vrij weinig publieke bezwaren tegen genetisch gemanipuleerde organismen zoals die in Europa wel heersen, maar het bestaan van Alba leidde direct tot felle discussies.
Klaarblijkelijk vinden fatsoensrakkers dat het genetisch manipuleren van een plant of dier wel mag als dat voordelen als meer winst, een betere groei of effectievere medicijnproductie voor de mens oplevert, maar niet als kunstproject. Wat dat betreft is Kac uitstekend in zijn missie geslaagd.
Het albinokonijn Alba gloeide groen op als het met blauw licht werd beschenen. Connecticut College
Hij heeft ook anderen op een idee gebracht. In Oost-Azië is een lichtgevend zebravisje, de GloFish nu een grote hit. Invoer van genetisch gemanipuleerde organismen, dus ook GloFish, is verboden in de EU.
Genesis Transgene kunst is een vorm van bio-art: kunst met biologische organismen. Deze kunstvorm is uiterst omstreden. In een ander kunstobject, Genesis uit 1999, liet Kac in het DNA van bacteriën als morsecode een bijbelvers inbouwen (Genesis 1:26) waarin de mens toestemming wordt gegeven om met de schepping te doen wat deze goeddunkt. UV-straling veroorzaakt mutaties in bacteriën. Door de UV-lamp aan te zetten kan de bezoeker dus de boodschap vernietigen, maar grijpt dan zelf in de natuur in…
Kunstenares Patricia Piccinini stelde met dit kunstwerk de filosofische vraag: waar ligt de ethische grens van genetische manipulatie?
Mensvarkens Kunstenares Patricia Puccinini waagt zich niet in het laboratorium, maar toont de gevolgen als we diep ingrijpen in de natuur. In haar kunstwerken, vervaardigd van siliconen, toont ze bizarre mengvormen van mensen en dieren.
In één van haar beroemdste werken geeft een wezen dat een hybride is tussen een mens en een varken, borstvoeding aan een stel nakomelingen. Toeschouwers worden het meeste geraakt door de haast menselijke blik in het gezicht van het wezen. Hoe ver mogen we gaan met het overschrijden van de soortgrenzen?
De elektronenmicroscoop krijgt er een stevige concurrent bij. Opticus Allard Mosk van de Universiteit Twente heeft een techniek ontwikkeld om met een goedkope omgebouwde lichtmicroscoop details tot minder dan honderd nanometer, enkele honderden atomen breed, te ontwaren. Komt goedkope laboratoriumapparatuur voor de Derde Wereld dichterbij?
Duivels dilemma
Zichtbaar licht heeft golflengtes van vierhonderd tot zevenhonderd nanometer. Dat betekent dat hoe we ook ons best doen, we hiermee geen details kleiner dan vierhonderd nanometer kunnen zien. Licht buigt domweg om kleinere voorwerpen heen. Daarom moeten voor kleinere afmetingen andere dingen dan zichtbaar licht worden gebruikt. De nieuwste chips worden bijvoorbeeld gebakken met behulp van ultraviolette straling of zelfs röntgenstraling met een golflengte van enkele tientallen nanometers. Elektronen bieden een nog scherpere resolutie. Kwantummechanisch gezien hoort bij elk deeltje (zoals een elektron) een golf. Hoe zwaarder of energierijker het deeltje, hoe korter de golf. Bij elektronen praten we dan over groottes kleiner dan een nanometer. Helaas zijn elektronenmicroscopen peperdure en nogal logge apparaten, hoewel er tegenwoordig modellen zijn die op een bureautafel geplaatst kunnen worden. Ook zijn zowel röntgenstraling als elektronen nogal destructief. Levende organismen zijn hierdoor out of the question. Vervelend, want juist deze herbergen nog veel raadsels op nanoschaal.
De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens met de lichtmodulator zo geconcentreerd, dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.
Kijken op nanoschaal
Met de ontdekking door opticus Allard Mosk van de universiteit Twente lijkt hieraan een einde gekomen te zijn. Het blijkt namelijk dat door het oppervlak van de lens op een bijzondere manier te etsen, met de golf veel kleinere details waar zijn te nemen dan volgens de klassieke optica mogelijk is. Mosk slaagde er in om met laserlicht van 561 nm golflengte details van 97 nm zichtbaar te maken, bijna zes keer kleiner dan optisch mogelijk dus. Het systeem werkt door gebruik te maken van verstrooiing. Laserlicht bestaat uit licht dat exact in fase is. Kleine verstoringen, ook obstakels van enkele nanometers groot, verstoren dit en leiden tot diffractiepatronen.
Bouw van de nanomicroscoop
Mosk maakt gebruik van een systeem in twee stappen. In de eerste fase wordt laserlicht door een lens met een onregelmatig, oneffen oppervlak verstrooid. Dit licht vormt een oneffen diffractiepatroon dat wordt uitvergroot, door een lichtgevoelige CCD-chip wordt opgevangen en teruggerekend naar de vorm van de oorspronkelijke bundel. Nu het diffractiepatroon exact bekend is, kan aan de hand daarvan worden berekend hoe de ruimtelijke lichtmodulator moet worden aangepast om de lichtbundel zich te laten concentreren in een brandpunt. De microscoop is vanaf dan klaar voor gebruik.
Gebruik zonder al te veel bewegende onderdelen
Als een object in het brandpunt geplaatst. Van dit object kunnen hierdoor details ruim onder de honderd nanometer worden waargenomen. Door de objecten punt voor punt te scannen krijgt een microscopist een driedimensionaal beeld van het object met een zeer hoge resolutie. Door de lichtmodulator aan te passen kan het brandpunt namelijk worden verschoven. Mosk en de zijnen verwachten met deze proefopstelling de brandpuntsgrootte te kunnen laten dalen tot 72 nm.
Toepassingen
Deze techniek is erg goedkoop en zeer breed toe te passen. Niet alleen zal het kunnen leiden tot een kleine revolutie op microbiologisch terrein, ook is de techniek uitstekend te gebruiken voor het etsen van nanostructuren. Voor massafabricage is de techniek weliswaar minder geschikt, maar er kunnen natuurlijk wel zeer nauwkeurige mallen op nanoschaal mee kunnen worden uitgeëtst. Wordt gekozen voor ver-ultraviolet met golflengtes tot tien nanometer, dan kan de resolutie (afhankelijk van wat de minimale golflengte is die nog volledig verstrooid kan worden door een UV-equivalent van een ruwe grenslaag) zelfs nog veel meer omhoog. Kortom: deze doorbraak brengt de nanowereld veel dichterbij, op den duur zelfs voor de gewone man en vrouw.
Roodgloeiende lavastromen, sissende stoomwolken en tot duizenden kilometers verderop asregens. IJsland? De Vesuvius? Nee, de Vulkaaneifel, op minder dan honderd kilometer van de Nederlandse grens, bijna dertienduizend jaar geleden. De Eifelvulkanen barsten elke tien- tot twintigduizend jaar uit. Tot nu toe ontsprongen we de dans. Wat zijn de gevolgen als deze slapende vulkaan weer uitbarst?
Noord-Europa lijkt veilig te zijn voor vulkanisme. De dichtstbijzijnde actieve vulkanen, de Siciliaanse Etna en de IJslandse Katla en Eyjafjällajökull, liggen op een comfortabele tweeduizend kilometer afstand. Niets aan de hand dus. Echter: schijn bedriegt. Bij de laatste uitbarsting werd er maar liefst drie vierkante kilometer rots uitgeblazen.
Vulkaaneifel
Vlak over de grens ligt de Duitse Vulkaaneifel, een natuurgebied dat wordt gekenmerkt door kleine ronde meertjes, laachen (van het Latijnse lacus, meer), golvende heuvels en warme bronnen. De Duitsers kunnen hier hun obsessie voor Heilbronnen en andere kuuroorden maximaal uitleven. Maar weinig mensen staan er bij stil dat hier al vele miljoenen jaren een actief vulkaangebied ligt dat elke tien- tot twintigduizend jaar Europa bedekt met een fijne aslaag. In teegenstelling tot vulkanen als de IJslandse Katla en de Italiaanse Vesuvius, die keer op keer op dezelfde plaats uitbarsten, wurmt de hot spot die het vulkanisme in Centraal-Europa veroorzaakt, elke keer op een andere plaats omhoog. Diep onder de aarde verzamelt zich magma, dat zodra de onderaardse druk voldoende is om de aardkorst te doorboren, een enorme magmaontploffing veroorzaakt waarbij de magmakamer de lucht in vliegt.
De gevolgen van een vulkaanuitbarsting in het hart van West-Europa
Tienduizend jaar geleden was Europa nog dun bevolkt door jager-verzamelaars en een enkele neolithische landbouwer. In heel Nederland woonden misschien vijftigduizend mensen. De uitbarsting had dan ook weinig destructieve gevolgen.
12.900 jaar geleden zag de Vulkaaneifel vlak over de grens er zo uit. Staat de volgende uitbarsting er aan te komen?
Nu is dat wel anders. Vlak bij de Vulkaaneifel ligt het dichtbevolkte Ruhrgebied, Limburg, Luxemburg en de oostelijke Belgische provincies, waar samen meer dan tien miljoen mensen wonen. Besluit de hotspot zich weer een weg naar de oppervlakte te banen, dan betekent dat de inwoners van het dichtstbevolkte gebied in Europa te maken zullen krijgen met zware aardbevingen, dodelijke pyroclastische stromen die alles op hun weg verschroeien, lavastromen en een bombardement met vulkanische bommen. De dikke asafzettingen blokkeren de Rijn, waardoor enorme overstromingen ontstaan (12.900 jaar geleden leidde dit tot de vorming van en stuwmeer en, toen de natuurlijke dam doorbrak, een vele meters hoge vloedgolf).
Gelukkig is dit gebied vrij arm aan kerncentrales, maar vlak bij de Limburgse grens staat de centrale van Jülich. Ook vlakbij het vulkanische gebied staat de centrale van Mülheim. Toch dateert de laatste zeer zware aardbeving in Limburg nog van enkele eeuwen terug (een lichtere aardbeving sloeg in 1992 toe). Als deze niet bestand zijn tegen de enorme aardschokken die de vulkanische eruptie met zich mee zal brengen, zal dit mogelijk leiden tot een meltdown. Ontwerpers beschouwen het westelijk deel van Duitsland als een lage-risicogebied voor aardbevingen.
Hoe groot is de kans?
De Eifelvulkaan kan morgen uitbarsten. De vulkaan kan ook nog bijna tienduizend jaar een slapend bestaan blijven leiden. Duitse geologen klagen steen en been over de nonchalante houding van de Duitse autoriteiten. Eén ding is zeker. Vroeg of laat zal de vulkaan in de Eifel weer ontwaken en dood en verderf zaaien. Mogelijk heeft het niets bijzonders te betekenen, maar de grond in de Eifel komt elk jaar enkele millimeters omhoog…
Er zijn drie fundamentele natuurconstanten: de lichtsnelheid, de constante van Planck en de sterkte van de zwaartekracht. Samen vormen ze de drie dimensies van een magische kubus. Zeven van de acht hoekpunten krijgen (of kregen) veel aandacht van wetenschappers. Wat verbergt zich achter de achtste hoekpunt?
Newtons twee hoekpunten
Alle grote natuurkundetheorieën die met ruimte, tijd en kwantummechanica te maken hebben, zijn onder te brengen in een kubus. Je gaat uit van de klassieke theorie van Isaac Newton die je van de middelbare school kent: krachten, versnellingen en dergelijke.
Alle fundamentele natuurkundige theorieën bevinden zich in één van de zeven gebruikte hoekpunten. Wat ligt er in de ontbrekende hoekpunt?
Newton “ontdekte” de zwaartekracht (althans: was de eerste die zich afvroeg waarom voorwerpen omlaag vallen). Vandaar dat de twee achterste hoekpunten onder, Newtons mechanica en Newtons zwaartekrachtstheorie, voor zijn rekening komen. Als je aan Newtons klassieke theorie de zwaartekrachtsconstante G toevoegt, krijg je namelijk Newtons zwaartekrachtstheorie. Een aantal eeuwen voldeed deze heel aardig en voor het alledaagse leven in feite nog steeds.
Einstein en de lichtsnelheid
Eind negentiende eeuw werd ontdekt dat licht een (in het vacuüm) onveranderlijke snelheid heeft: c. Einstein werkte deze gedachte in 1905 verder uit in de speciale relativiteitstheorie, die beschrijft wat er met dingen in de buurt van de lichtsnelheid gebeurt. Enkele jaren later volgde de algemene relativiteitstheorie, waar ook de zwaartekracht in is verwerkt. Dit zijn de twee voorste hoekpunten beneden. Atoomklokken en GPS werken alleen omdat rekening wordt gehouden met de speciale en algemene relativiteitstheorie. Deze vier hoekpunten zijn de klassieke natuurkunde.
Kwantumraadsels
Omstreeks die tijd dook ook de constante van Planck, h, op. De consequenties van het bestaan van quanta (h is hierin de elementaire eenheid) brachten natuurkundigen totaal tot wanhoop. Uiteindelijk ontstond de kwantummechanica, nog steeds een slecht begrepen en moeilijk te bevatten theorie die geregeld nieuwe absurditeiten oplevert. Wel is bijvoorbeeld kwantumelektrodynamica de nauwkeurigste theorie ooit.
Alle theorieën waar de constante van Planck een rol in speelt, bevinden zich in het bovenste vlak van de kubus. Toen de kwantummechanica werd uitgebreid met Einsteins speciale relativiteitstheorie, ontstond bijvoorbeeld het Standaardmodel, dat alle bekende deeltjes in de natuur beschrijft, het hoekpunt linksboven.
Snaartheorie of snaarsciencefiction?
Volgens veel natuurkundigen hebben ze een theorie van alles gevonden die ze snaartheorie noemen. Deze verenigt het standaardmodel en de algemene relativiteitstheorie, althans: dat is de bedoeling. De resultaten zijn niet echt denderend: er is na veertig jaar gereken en wiskunstig geworstel nog steeds geen voorspelling met de snaartheorie gedaan die je met bijvoorbeeld een deeltjesversneller kan toetsen. In de meeste wetenschappen is dit een doodzonde. Niettemin is de theorie nog steeds erg populair onder de beoefenaars er van.
Het onbekende hoekpunt
Oplettende lezers hebben al gezien dat er één hoekpunt in de nevels verborgen blijft. Geen enkele natuurkundige heeft geprobeerd om een theorie te beschrijven die kwantummechanica en zwaartekracht (zonder relativistische effecten) met elkaar in overeenstemming brengt. We weten daarom nog steeds niet wat zwaartekracht op kwantumniveau precies voorstelt. Wat is de kwantummechanische oorzaak van massa? En zijn er misschien meer kwantummechanische effecten die in het dagelijks leven optreden, maar die onopgemerkt blijven? Waarom wordt hier geen onderzoek naar gedaan? Is dit geen slimmere route naar de theorie van alles?
Bron: De natuurwetten, iconen van onze kennis, Sander Bais (ISBN 90 5356 714 3, NUR 616/754)
