Wasknijpers

Het wordt lente, hoog tijd om weer eens onbekommerd over natuurkunde te schrijven. Max Pam geeft mij daar een mooie aanleiding toe, in zijn `Formule van Pam' in Folia van 9 februari. Daarin staan verzuchtingen die de gemiddelde fysicus zó vaak te horen krijgt dat-ie er twee dingen mee kan doen: negeren of aanpakken. Ik doe het laatste.

Om te beginnen noemt hij de natuurkunde ``de koning der wetenschappen''. Zeer vereerd, maar 't is net andersom. De natuurkundige is nu juist niet iemand die vanaf een hoge en onaantastbare zitplaats bevelen geeft of diepzinnigheden uitkraamt. Die steekt liever de kop onder water om te ontdekken waarom rechte rietstengels aan het wateroppervlak geknakt lijken te zijn. Een echte wetenschapper is niet te beroerd om in de woestijn stenen om te draaien, ondanks de schorpioenen, en niet bang om eenvoudige vragen te stellen, zoals de vraag waarom die stenen van boven donker zijn en van onderen licht. Een verstandige koning luistert naar zijn ministers, maar een bekwame fysicus durft hun te zeggen zich met hun eigen zaken te bemoeien. Een van de voornaamste kenmerken van koningen en hun vazallen is dat zij geen ongelijk durven bekennen; maar aan de bereidheid bakzeil te halen, herkent men de wetenschapper. Niks koning: de natuurkundige staat dichter bij de loodgieter en de metselaar dan bij hofprediker of maarschalk.

Vervolgens heet de natuurkunde ``Onbereikbaar en nauwelijks te doorgronden''. Ook daar is het tegendeel het geval. Aan vrijwel niets van wat de mensheid bezighoudt is een touw vast te knopen: liefde en haat, geloof en filosofie – warrigheid is troef. Maar wat is er nu bereikbaarder dan de gloed van een kaarsvlam, het spiegelen van een wateroppervlak, de duisternis van de nachthemel? Hij heeft getracht ``iets van die moderne fysica te begrijpen'', maar heeft hij wel eens geprobeerd met de oude natuurkunde in aanraking te komen? Geef een mep tegen een tennisbal, en dan nog eens nadat je er een gaatje in hebt geprikt. Bewerk een golfbal met schuurpapier om te zien of-ie verder vliegt. Ik vroeg eens aan de fysicus Elmajid Boutemeur, die bij CERN op jacht is naar het Higgs-deeltje, wat hij een dertienjarige over natuurkunde zou uitleggen. Hij lachte: ``Vergeet het maar met die computers en die elementaire deeltjes. Kinderen kun je niet overtuigen met elektronica. Doe iets tastbaars, vertel over mechanica, en vooral over de voorspellingen die de natuurkunde doet. Voorspellen is magisch, en kinderen houden van magie.'' Boutemeur heeft voor zijn dochter en haar vriendinnen een speciaal soort flipperkast gebouwd om de beginselen van de mechanica te laten zien.

Pam heeft niet alleen Carl Sagan gelezen, maar ook Stephen Hawking, Roger Penrose, en ergere zwetsers. Zonde van de tijd; was hij maar begonnen met Marcel Minnaerts Natuurkunde van 't vrije veld. Wie schrijft voor specialisten mag zeggen wat-ie wil, want vaklui maken mosterd van zwammers; maar wie voor algemeen publiek schrijft, is verplicht zich te houden aan wat wij zeker weten. Helemaal zeker is nooit iets in de wetenschap, dus laten we zeggen 90 procent. Dat doet Sagan prima, en hij zegt er duidelijk bij wanneer hij fantaseert of extrapoleert. Maar de anderen gaan zo hier en daar zwaar in de fout. Hawking en Penrose zijn zwak in uitleggen, en sterk in koketteren en zelfpromotie. Hoe herken je die boeken als rotzooi, als je geen beroepsnatuurkundige bent? Heel gewoon, aan het gesnork. Hawking over de geest van god, Penrose over de geest van de mens, retteketet: het is meteen duidelijk dat deze heren hun wetenschappelijke boekje zeer ver te buiten gaan. Gewone, gezonde journalistieke achterdocht is al wat je nodig hebt om die lariekoek te ontmaskeren. Om aan te tonen dat Hawking raaskalt als hij beweert dat het heelal weer zal gaan inkrimpen en dat de tijd dan achteruit zal gaan lopen, moet je misschien wel fysicus zijn. Maar ook natuurkundigen vertrouwen in eerste instantie op hun achterdocht. Daarna kun je een en ander gelukkig nog wel even narekenen, waarop de kletsmajoors gewoonlijk onzacht door de mand vallen.

Vervolgens citeerde hij een verhaal in deze krant over het `stilzetten' van licht. ``Twee jaar geleden bleek het al mogelijk het licht zo af te remmen dat je het met de fiets kon inhalen, maar nu kunnen wij het licht voor een rood stoplicht laten stoppen.''

Vooruit dan, het is immers lente, laat ik eens proberen uit te leggen hoe dat werkt. Ik neem een risico, want uitleggen is moeilijk, zoals je merkt als je de gebruiksaanwijzing van een eenvoudige machine leest. Wie dat niet gelooft, mag eens proberen om (door de telefoon, of per e-post) uit te leggen hoe je de veters van je schoenen strikt. Vandaar dat wij echte schoolmeesters in ere moeten herstellen, en die niksige nieuwlichters met hun basisbende eruit moeten zwiepen. Maar ik dwaal af.

Licht bestaat uit een stroom deeltjes. Een lichtdeeltje beweegt altijd met dezelfde snelheid, wat je ook doet. Die invariantie van de lichtsnelheid (aangeduid met `c') is een groot wonder, maar daarover vertel ik later wel weer eens. Wanneer licht een wisselwerking met materie aangaat, kan de snelheid van de stroom (dus niet het lichtdeeltje zelf) verschillen van c. Stel je voor dat je naar een zwemestafette kijkt, waarbij iedere zwemmer precies even snel door het water gaat. Hoe snel is dan een hele ploeg? Dat hangt ervan af hoe rap elke ploegmaat na het aantikken overneemt. Een ploeg waarvan de leden vijf minuten in hun neus staan te peuteren alvorens af te springen, verliest geheid. Door het instellen van de peutertijd kun je de ploeg zo langzaam maken als je wilt.

Zo ook met licht dat door materie gaat, bijvoorbeeld door water. Een invallend lichtdeeltje wordt opgepikt door een elektron in een watermolecuul, waarbij het water tijdelijk een iets hogere energie krijgt. Na een ogenblik zendt het elektron weer een lichtdeeltje uit, dat verder gaat (met snelheid c) totdat het op zijn beurt wordt onderschept, enzovoorts. Zo is de effectieve lichtsnelheid kleiner dan c. Door dit verschijnsel wordt het pad van een lichtstraal afgebogen als het door een grensvlak gaat: dat heet straalbreking. Die is ervoor verantwoordelijk dat rechte rietstengels aan het wateroppervlak geknakt lijken te zijn.

Het slechte van de uitleg in persberichten en kranten, is dat er wordt gesuggereerd dat `het licht' met een andere snelheid gaat, terwijl het gaat om een stroom lichtdeeltjes die ieder voor zich altijd met de snelheid c bewegen. Het effectieve signaal dat door die stroom wordt overgebracht gaat langzamer. Daar zitten tal van subtiele kanten aan, zoals Lagendijk en Van Tiggelen hebben laten zien bij licht dat door een soort witte verf beweegt, maar het principe is klip en klaar.

Hoe zit dat nu met het stilzetten? In dat experiment gaat het net als met de estafetteploegen, maar nu is de neuspeuterperiode van buiten af regelbaar. Elke zwemmer op een startblok moet wachten totdat de badmeester een fluitsignaal geeft, en mag dan pas vertrekken. De manier waarop de experimenteerders dat deden is erg aardig, en maakt gebruik van het feit dat materiedeeltjes een soort voorkeursrichting hebben, zoals een rond verkeersbord waarop een pijl staat. Die richting heet spin.

Stel je voor dat je een zeer lange waslijn hebt gespannen. Als je daar even aan schudt, zie je een golf die zich langs de lijn voortplant met een vaste snelheid. Stel nu dat je aan de lijn een rij zware wasknijpers hangt. De trilling op de waslijn brengt de knijpers in beweging, waardoor deze wat energie van de golf opnemen. Als je erin zou slagen om zo de hele golf te absorberen, krijg je een toestand waarin een rij knijpers omhoog staat in plaats van omlaag te hangen. De golf is foetsie, en de knijpers blijven omhoog staan totdat een zacht briesje ze weer omlaag doet vallen. Daarbij komt de waslijn weer in trilling, en de golf gaat verder.

Zo werkt dat `stilzetten'. De lichtpuls valt op een speciaal geprepareerd kristal, waarvan de deeltjes een spin hebben die wordt bestuurd door een laserbundel. Het lichtsignaal wordt tijdelijk opgeslagen, `geschreven' op het veld van spins in de materie. Het knappe van de proef is natuurlijk het manipuleren van al die `wasknijpers' door de laserbundel, waarbij listig gebruik wordt gemaakt van de inwendige energie-toestanden van de materie waar het licht doorheen gaat.

Uitleggen is moeilijk, ook omdat je natuurlijk niet echt alle details kunt laten zien, en zelfs bij een goede uitleg valt het soms niet mee te herkennen waar het over gaat. Zo was er eens een man die bij de dokter kwam met een onverklaarbare pijn. Hij legt uit wat er gebeurt: ``Als ik eerst mijn rechterarm naar achteren steek, en dan naar voren beweeg, daarna met mijn linkerarm hetzelfde doe, en dan wat met mijn schouders wiebel, dan krijg ik een enorme steek onder in m'n rug.'' Zegt die esculaap: ``Dat is eenvoudig te verhelpen, meneer: doe voortaan niet meer zo raar.'' ``Maar dokter, moet u eens proberen op een andere manier een jasje aan te trekken!''