Susan Greenfield - Het Wetenschapsboek

Lannoo/Spectrum 2005 - ISBN 9077445066

Ten geleide door Susan Greenfield
De wetenschap is steeds meer een deel van ons dagelijkse leven: meer dan ooit beïnvloedt de wetenschap wat we denken, wat we eten, hoe we onze vrije tijd doorbrengen en hoe we in een steeds sneller voortrazend informatietijdperk met elkaar communiceren. Er is sprake van een ongekende vooruitgang in de natuurwetenschappen en de biomedische wetenschappen en in de wisselwerking tussen die twee. Als we deze veranderingen ten gunste van de samenleving willen gebruiken, dan is het heel belangrijk dat we allemaal iets over wetenschap weten.
Dit boek laat de lezer uitvoerig kennismaken met de verbazingwekkende, brede wereld van de wetenschap. We kunnen de bondig geformuleerde artikelen elk apart lezen en zo onmiddellijk inzicht krijgen in de afzonderlijke ontdekkingen die onze wereld en ons leven hebben gevormd, rnaar we kunnen ook dieper in het boek spitten en de wetenschappelijke achtergronden verkennen die deze ontdekkingen mogelijk hebben gemaakt.
Vernieuwend is de indeling van het boek en de chronologische volgorde waarin het de belangrijke gebeurtenissen in de ontwikkeling van alle takken van de wetensehap beschrijft. Dit historische perspectief en de fraaie illustraties zullen niet alleen mensen aanspreken die feiten zoeken, maar ook mensen die deze feiten in een breder esthetisch en logisch verband willen zien. Het boek kan inderdaad ook als een voorbeeld dienen van de noodzakelijke overbrugging van de onzinnige kloof tussen kunsten en wetenschappen: het lezen van dit boek zal zeker net zo plezierig en verhelderend zijn als menig boek over geschiedenis, literatuur of filosofie.
Het Wetenschapsboek verschaft niet alleen een gemakkelijke toegang tot de kennis over afzonderlijke ontdekkingen. Het geeft ook toegang tot de fundamentele ideeën achter de wetenschap en, nog belangrijker, het laat ons zien hoe persoonlijkheden op deze gedachten kwamen. Op compacte en heldere wijze krijgt de lezer een overzicht over de wetenschap. Zo is hij beter voorbereid voor de uitdagingen waarvoor de wetenschap ons stelt in de eenentwintigste eeuw en daarna.

Inhoud

1. De oorsprong van het rekenen 10
2. Sterrenkunde vóór de geschiedenis 12
3. Harmonie der sferen, Pythagoras 14
4. De erfenis van Aristoteles 16
5. De geboorte van de plantkunde 18
6. De Elementen van Euclides 20
7. De wereld bewegen 22
8. De omtrek van de aarde 24
9. Hemelse voorspellingen 26
10. Geneeskrachtige planten 28
11. Het geocentrische heelal 30
12. Het lichaam in kwestie 32
13. De nul 34
14. De regenboog ontrafelen 36
15. De algebra 38
16. Het perspectief 40
17. Het heliocentrische heelal 42
18. De menselijke anatomie 44
19. De fossielen 46
20. Een nieuwe ster 48
21. Natuurlijk magnetisme 50
22. De wetten van de planetaire beweging 52
23. De hemel door een telescoop 54
24. 
Boyles Sceptical Chymist 70
25. De planetaire afstanden 74
26. De Principia van Newton 78
27. De verbranding 94
28. Het golfkarakter van licht 118
29. Atoomtheorie van John Dalton 124
30. Het elektromagnetisme 134
31. De zonnevlekkencyclus 158
32. De wetten van de thermodynamica 164
33. Gemeenschap van cellen 174
34. Darwins 'Over het ontstaan van soorten' 176
35. Maxwells vergelijkingen 186
36. Mendels erfelijkheidswetten 192
37. Toestandsveranderingen 198
38. Ziektekiemtheorie 202
39. Het zenuwstelsel 210
40. De onbewuste geest 222
41. Het elektron 228
42. Het kwantum 234
43. De chaostheorie 238
44. Speciale relativiteit 244
45. Van Newton tot Einstein 246
46. De Brownse beweging 254
47. Burgess Shale 260
48. Genen in de erfelijkheid 264
49. De supergeleiding 266
50. Het atoommodel272
51. Neurotransmitters 274
52. Algemene relativiteit 278
53. Het neodarwinisme 282
54. De golf-deeltjedualiteit 300
55. Het neutron 312
56. Antimaterie 314
57. Communicatie tussen bijen 338
58. De computer 340
59. De fotosynthese 344
60. Aggregatie van slijmzwammen 348
61. De transistor 350
62. De kwantumelektrodynamica 352
63. Springende genen 362
64. Zenuwprikkels 366
65. De REM-slaap 372
66. De dubbele helix 374
67. De digitale snelweg 376
68. Het linkshandige heelal 380
69. Het taalinstinct 386
70. De cultuur van de chimpansee 396
71. Rechter- en linkerbrein 400
72. De psychologie van gehoorzaamheid 402
73. De evolutie van samenwerking 406
74. Quarks 408
75. De verenigde krachten 416
76. De symbiotische cel 418
77. De vijf koninkrijken van het leven 426
78. De Gaia-hypothese 432
79. Genetische neven 442
80. Een unieke soort 444
81. Fractalen, zelfgelijkvormigheid 446
82. De kwantumgeheimzinnigheid 464
83. Geheugenmoleculen 470
84. De snaartheorie 474
85. Het mannelijke gen 502
86. Een nieuwe materietoestand 510


1. De oorsprong van het rekenen - Swaziland ca. 35.000 v.Chr.
Door Richard Mankiewicz
Net als bij elke andere menselijke activiteit is de oorsprong van het rekenen in historische nevelen gehuld. Botten die als telstokjes dienden zijn het vroegste archeologische bewijs. Het oudst is het kuitbeen van een baviaan waarin 29 inkepingen zijn gegrift. Het bot werd gevonden in Swaziland in het zuiden van Afrika en gedateerd op ongeveer 35.000 v.Chr. Het geeft waarschijnlijk de maancyclus weer, omdat het lijkt op de 'kalenderstokjes' die nu nog worden gebruikt in Namibie. Het bot van een wolf met 55 inkepingen werd gevonden in Moravië, in Tsjechië (30.000 v.Chr.), en de oevers van Lake Edwards in Zaïre leverden het Ishangobot op (9000 v.Chr.), dat een gebruiksvoorwerp lijkt met een inzet van kwarts. De kerfjes hierop zijn vaak gerangschikt in variërende groepen, maar wat ze betekenen blijft een raadsel.

Een vage echo van het telsysteem is nog altijd aanwezig in sommige moderne cijfers: ons eigen cijfer één en de Romeinse en Chinese cijfers voor één, twee en drie zijn teltekens, I, II en III. Maar tellen met het cijfer een is te beperkt en beschavingen gingen weldra enkelvoudige cijfers bij elkaar nemen om flexibelere getallenstelsels te maken, gebaseerd op 5, 10, 12, 20 en 60. De meeste lijken hun oorsprong te hebben in diverse methoden van op de vingers tellen.
Het eerste bewijs van het gebruik van schrift in het algemeen en getallen in het bijzonder komt uit Mesopotamië, het land tussen de Tigris en de Eufraat. Het Soemerische zestigtallige stelsel vereiste speciale symbolen om l, 10 en 60 weer te geven en was het eerste stelsel waarin de plaats de waarde van het cijfer bepaalde. Het stelsel ontstond in ongeveer 2500 tot 3000 v.Chr. maar leeft nog voort in onze berekeningen van tijd en metingen van hoeken. Hoewel er aantekeningen op kleitabletten werden gemaakt, werden berekeningen vaak ook uitgevoerd met steentjes die allemaal een andere vorm hadden en daarmee verschillende goederen aangaven. In ongeveer 2000 v.Chr. was deze methode vervangen door de abacus. Het eerste op een alfabet gebaseerde schriftelijke stelsel werd ontwikkeld door de Feniciërs, aan het begin van het eerste millennium v.Chr. Daarmee werden cijfers door letters weergegeven. (10)

  terug naar de Inhoud

2. Sterrenkunde vóór de geschiedenis
Egyptenaren ca. 3000 - 1000 v.Chr., Babyloniërs ca. 2000 - 1000 v.Chr, Chinezen ca. 2000 - 1050 v.Chr.
Door David Hughes
De wetenschap begon met de sterrenkunde. Onze voorouders keken naar de hemel en zagen een combinatie van iets wat constant was en iets wat veranderlijk was. De ongeveer 4000 zichtbare sterren vormden gemakkelijk te onthouden onveranderlijke patronen. En voor deze achtergrond van sterrenbeelden bewogen zich zeven dwaalsterren.
De zon en de maan waren schijven. Hun banen lagen in de gordel van de dierenriem. Elke nacht veranderden de fasen van de maan. Maar elke 29,5305882ste dag keerde ze terug naar dezelfde vorm. De constantheid van dit interval definieerde de maand en spoorde de oude culturen waarschijnlijk aan de tel bij te houden. Ook de zon volgde vaste regels. De posities van zonsopgang en zonsondergang aan de horizon veranderden systematisch, net als de hoogte op het middaguur. Deze veranderingen vielen samen met veranderingen in omgevingstemperatuur, lengte van het daglicht en gedrag van dieren en planten.
Al snel werd het jaar gedefinieerd en ingedeeld in seizoenen. Midwinter, lente en midzomer werden belangrijke feesten. Monumenten als Stonehenge in het zuidwesten van Engeland werden gebouwd in de richting van de op de dag van de zomerzonnewende de opkomende zon. De Egyptische piramides werden gebouwd met de zijkant parallel aan de noordzuiden-oostwestas. Ze hebben ook zuidelijke schachten die in de richting van de meridiaandoorgang van sterren als Sirius en Thuban wijzen. Dat de aantallen dagen en maanden van het jaar geen hele getallen waren, hield astronomen bezig bij het organiseren van hun religieuze kalenders.
Van de planeten dwaalden Mercurius en Venus nooit ver van de zon vandaan. Mars, Jupiter en Saturnus daarentegen bewogen doorgaans van west naar oost in de dierenriem. Maar een keer per jaar leken ze te stoppen, een tijdlang achteruit te gaan en vervolgens hun normale beweging weer op te nemen. Deze 'oppositielussen' varieerden in grootte van planeet tot planeet, net als hun snelheid en helderheid aan de hemel. Deze veranderlijkheid stelde de wetenschappelijke sterrenkundigen voor een ingewikkeld raadsel. Gelukkig was het raadsel niet zo ingewikkeld dat ze hun pogingen staakten, maar het was wachten op het werk van Copernicus, Kepler en Newton voordat het raadsel echt werd opgelost. (12)

  terug naar de Inhoud

3. Harmonie der sferen - Pythagoras ca. 580 - 500 v.Chr.
Door David Hughes
Pythagoras werd in 580 v.Chr. geboren op het eiland Samos in Griekenland en vestigde zich later in Croton in het zuiden van Italië. Tijdens zijn reis door Babylon en Egypte deed hij veel kennis op, die hij meebracht naar het westen.
Aan hem wordt het idee toegeschreven dat de aarde rond is, hoewel zijn ontdekkingen moeilijk kunnen worden onderscheiden van die van de leden van zijn filosofische school, de pythagoreeërs, een soort geheime sekte die 200 jaar lang bloeide. Hij staafde zijn bewering aan de hand van drie bewijzen:
- hoe noordelijker je gaat, hoe hoger de poolster aan de hemel verschijnt;
- de achtersteven van een schip verdwijnt eerder dan de zeilen als het over de horizon vaart;
- de schaduw van de aarde is tijdens een maansverduistering altijd rond.
De aarde werd naar verluidt omgeven door een reeks 'kristallijne transparante sferen' (de 'volmaakte' vorm) die allemaal gelijkmatig draaien (de 'volmaakte' beweging) en een hemellichaam meedragen.
- Later introduceerde de pythagorische school een draaiende aarde als verklaring voor de dagelijkse beweging van de sterren, zon, maan en planeten. Als rechtvaardiging pleitten ze voor eenvoud: een kleine aarde laten draaien was gemakkelijker dan een enorme hemel laten draaien.

Pythagoras beschouwde getallen als 'het wezen van alle dingen'. Als wetenschapper en musicus werd hij gefascineerd door de verhouding tussen de toonhoogte en de lengte van een snaar en hij gebruikte deze harmonische verhoudingen ook in de sterrenkunde. De plaats van de planeten was niet willekeurig: hij dacht dat hun afstand en snelheid bij eenvoudige getallenverhoudingen pasten. Hippolytos merkte op dat Pythagoras de eerste was die de beweging van de zeven hemellichamen herleidde tot ritme en gezang.
Hoewel de naam Pythagoras het meest in verband wordt gebracht met de stelling van Pythagoras (het kwadraat van de schuine zijde van een rechthoekige driehoek is gelijk aan de som van de kwadraten van de rechthoekszijden) kenden de Babyloniërs deze stelling al minstens 1000 jaar voordat Pythagoras werd geboren, terwijl de Grieken beweerden dat hij van Egyptische geleerden over deze stelling had gehoord.
Pythagoras stichtte een school die werd gekenmerkt door geheimzinnigheid, estheticisme en mystiek.
Pythagoras was de eerste mens van wie wij weten dat hij dacht dat de aarde rond was. (14)

  terug naar de Inhoud

terug naar Pythagoras getallenleer


4. De erfenis van Aristoteles - Aristoteles 384 - 322 v.Chr.
Door Mark Ridley
Aristoteles groeide op en bracht het grootste deel van zijn leven door dicht bij de kust van Griekenland. Daar kon hij in de warme getijdepoeltjes bij eb veel diersoorten bij elkaar zien: zeesterren, zeeanemonen, krabben, wormen en vissen. Zijn geschriften tonen aan dat hij deze dieren nauwkeurig waarnam en de vragen die hij erover stelde, hebben de biologie sindsdien gedomineerd.
Aristoteles wilde de verschillende diersoorten onderscheiden en zijn geschriften vermelden in totaal 560 soorten. Daarmee begon hij een onderzoeksprogramma om de biodiversiteit van de aarde te catalogiseren - een programma dat vandaag de dag nog voortgaat. Aristoteles zelf classificeerde geen planten, maar een leerling van hem deed dat wel. De plantkunde ontstond toen een van de leerlingen van Aristoteles, Theophrastus, hoorde van planten die soldaten tijdens de expedities van een andere leerling van Aristoteles, Alexander de Grote, hadden gezien.
Aristoteles stond aan de basis van de anatomie, embryologie en fysiologie. Hij beschreef de inwendige anatomie van dieren als krabben, zeekreeften, vissen en inktvissen - zijn gedetailleerde beschrijving van de inwendige monddelen van de zee-egel was bijna perfect en het orgaan wordt nog steeds 'de lantaarn van Aristoteles' genoemd. Hij was bijzonder geïnteresseerd in bloed en beschreef het hart (hoewel hij de functie ervan verkeerd beoordeelde) en de bloedvaten en hij bestudeerde embryo's zoals dat van de kip.

Aristoteles schreef ook met gezag over wiskunde, natuurkunde en kosmologie - zijn bewegingswetten werden tot Galilei en Newton alom geaccepteerd - en hij was de uitvinder van de formele logica. In zijn jeugd was Aristoteles (op advies van het Orakel van Delphi) naar Athene gegaan om leerling van Plato te worden. Plato en Aristoteles domineren de latere intellectuele geschiedenis, maar Aristoteles was de stichter van de wetenschap. Plato's denkwijze was religieus, mystiek en poëtisch. Aristoteles twijfelde aan bovennatuurlijke verklaringen en gebruikte die niet in zijn natuurkunde en biologie. Wetenschappers na Aristoteles hebben de experimentele methode toegevoegd, maar ze zijn doorgegaan met zijn methode van waarnemen en zijn gebruik van deductief redeneren.
Aristoteles was een van de werkelijk grote wetenschappers, hoewel hij door zijn rationele denken vaak tot de verkeerde conclusies kwam. (16)

  terug naar de Inhoud

5. De geboorte van de plantkunde - Theophrastus ca. 312 - 281 v.Chr.
Door Phil Gates
Theophrastus was een leerling van Aristoteles, met wie hij in Athene de Peripatetische school voor filosofie ('het Lyceum') stichtte. Nadat hij in 322 v.Chr. hoofd van de school was geworden, publiceerde hij twee plantkundige werken: Historia Plantarum ('Biologic van planten') en De Causis Plantarum ('Redenen voor plantengroei'), die meer dan 1500 jaar lang de meest toonaangevende verhandelingen over het onderwerp bleven. Ze kregen een grotere lezerskring toen Theodore van Gaza (naar wie het plantengeslacht Gazania is genoemd) ze in 1483 in het Latijn vertaalde en opdroeg aan paus Nicolaas V.
Beide werken bevatten uitgebreide waarnemingen van planten en aspecten van morfologie, anatomie, pathologie, zaadontkieming, enten en voortplanting, de teelt van gewassen en de geneeskundige toepassing daarvan. Ze bevatten ook de eerste beschrijving van de bestuiving van dadelpalmen en bespreken de seksualiteit van planten - een aspect van de voortplanting van planten dat tot het werk van Rudolph Jakob Camerarius in 1694, niet door experimenten kon worden bewezen.

Theophrastus' bronnen van plantkundige informatie lijken afkomstig te zijn uit de tuin van de School - mogelijk de eerste botanische tuin in de geschiedenis - en voor verdere plantkundige zaken heeft hij misschien informatie verzameld uit de verhalen van de soldaten die terugkeerden van de veldtochten met Alexander de Grote. De boeken bestaan uit lange beschrijvingen van onderdelen en processen waar Theophrastus namen aan probeerde te geven. Deze namen waren gebaseerd op woorden uit de gewone Griekse taal en daarmee ontwikkelde hij een vroeg voorbeeld van het technische jargon dat kenmerkend blijft voor de wetenschappelijke dialoog. Afleidingen van anthos (zijn woord voor bloem) en pericarpion (het pericarp is het weefsel van de vruchtwand) zijn nu nog bekend bij plantkundigen. In zijn boeken classificeerde hij bijna 500 planten, beschreef een aantal taxonomische groepen die nog altijd worden gebruikt en wekte de bewondering van de grote achttiende-eeuwse plantkundige Carolus Linnaeus, die hem de 'vader van de plantkunde' noemde.
Theophrastus' uitstekende beschrijvingen van planten, hun ontkieming en hun delen, waren eeuwenlang van invloed op de plantkunde. (18)

  terug naar de Inhoud

6. De Elementen van Euclides - Euclides ca. 325 - 265 v.Chr.
Door Richard Mankiewicz
Het meest invloedrijke werk in de geschiedenis van de wiskunde is ongetwijfeld de Elementen van Euclides, de wiskundige die tijdens de heerschappij van Ptolemaeus I in Alexandrië werkte. Er is weinig bekend over het leven van Euclides, maar zijn boek werd zo populair, dat het meer dan 2000 jaar lang alle andere vergelijkbare werken heeft verdrongen. Het is niet echt origineel, maar veeleer een handboek dat alle op dat moment aanwezige kennis van de elementaire wiskunde opsomt - de fundamentele bouwstenen van de meetkunde en rekenkunde. De leraar in Euclides komt naar voren in de bondige, logische en samenhangende structuur.
Hij werd de vaandeldrager van de Griekse wiskunde, toen talrijke vertalingen, commentaren en uitgaven van de Elementen over het Middellandse-Zeegebied, Azië en Europa werden verspreid. De Elementen bestaat uit dertien boeken die geleidelijk moeilijker worden. Het begint met een paar basisdefinities van bijvoorbeeld een punt, een lijn, een oppervlak en een cirkel. Euclides beschrijft vervolgens diverse fundamentele beweringen ('axioma's' en 'postulaten') die niet bewezen kunnen worden, maar die intuïtief als waar worden aangenomen, zoals het postulaat dat niet-evenwijdige lijnen elkaar in één punt snijden. Redenerend vanuit deze uitgangspunten bouwt hij vervolgens door middel van deductieve logica een reeks stellingen of 'proposities'. Verdere stellingen worden uit eerdere stellingen afgeleid. Hoewel het grootste deel van de verhandeling over meetkunde gaat, kijkt ze ook naar verhoudingen en de getallenleer.
Enkele hoogtepunten onder Euclides' bewijzen zijn dat bij een rechthoekige driehoek de oppervlakte van een halve cirkel op de schuine zijde gelijk is aan de som van de oppervlakten van de halve cirkels op de twee andere zijden (een veralgemening van de stelling van Pythagoras), dat het aantal priemgetallen oneindig is en dat de vierkantswortel van twee irrationaal is.
In de laatste drie boeken bewijst Euclides dat er maar vijf regelmatige veelvlakken kunnen zijn: de tetraëder, de kubus, de octaëder, de dodecaëder en de icosaëder (met respectievelijk 4, 6, 8, 12 of 20 zijden). Pas in de negentiende eeuw realiseerde men zich dat de axioma's van Euclides geen absolute waarheden waren. Dit leidde tot de ontwikkeling van een nieuw soort meetkunde die niet rechtstreeks ook bij het ontstaan van de relativiteitstheorie en de kwantummechanica een rol speelde.
De eerste gedrukte uitgave van de Elementen van Euclides werden uitgegeven in Venetië in 1482. Sindsdien zijn er meer dan duizend herdrukken verschenen. Daarmee is het het meest succesvolle handboek aller tijden. (20)

  terug naar de Inhoud

7. De wereld bewegen - Archimedes ca. 290 - 212 v.Chr.
Door Richard Mankiewicz
De Griekse wiskundige Archimedes werd geboren in Syracuse op Sicilië en studeerde in Alexandrië, waarna hij terugkeerde naar zijn geboorteplaats. Tijdens zijn leven werd hij beroemd om zijn praktische ontdekkingen en zijn wiskundige theorieën. Hij bedacht wat nu nog altijd de 'schroef van Archimedes' wordt genoemd. Deze schroef wordt gebruikt als een waterpomp en als een systeem van samengestelde hefbomen in de vorm van een katapult. Hij demonstreerde die (zo beweert Plutarchus) door helemaal alleen een schip met volle lading aan wal te trekken.
Op verzoek van koning Hieron II heeft hij naar verluidt oorlogsmachines gebouwd om Syracuse tegen de Romeinen te verdedigen, zoals mechanische kranen die vijandelijke schepen met een ijzeren 'bek' optilden, door de lucht slingerden en tegen de klippen gooiden. Deze apparaten werden gebouwd op basis van de principes van de katapult en de heiboom die Archimedes had ontwikkeld. Eigenlijk was de hefboom zo'n sterk idee dat Pappus van Alexandrië schreef: "Geef mij één vast punt en ik beweeg de aarde."

Deze openbare demonstraties van de vindingrijkheid van Archimedes staken af tegen zijn geloof in de reinheid van een leven gewijd aan onbevooroordeelde studie. Het oerbeeld van de verstrooide professor danken we grotendeels aan Archimedes; het verhaal dat hij ongekleed door de straten van Syracuse rende en Eureka! ("Ik heb het gevonden!") schreeuwde, is slechts een van de vele legenden die zijn gedrag in het leven riep. Aanleiding voor deze opmerkelijke vertoning was de wet van de hydrostatica: als een lichaam in een vloeistof wordt gedompeld, is de opwaartse kracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof (Archimedes kwam net uit bad).
Archimedes was zich ervan bewust dat zijn roem plagiaat in de hand werkte en hij lokte na-apers in de val door onjuiste theorieën te verspreiden. En er viel veel te kopiëren, zoals formules voor de oppervlakten en volumes van meetkundige figuren en baanbrekend rekenwerk. Toen een overijverige Romeinse soldaat hem doodde, was het hele Middellandse-Zeegebied in rouw. (22)

  terug naar de Inhoud

8. De omtrek van de aarde - Eratosthenes ca. 276 - 194 v.Chr.
Door David Hughes
Omdat de afstand van de aarde tot de zon ongeveer 12.000 keer de diameter van onze planeet is, kunnen we veronderstellen dat alle zonnestralen parallel lopen, zelfs op plaatsen die ver van elkaar verwijderd zijn. Dit stelde Eratosthenes in staat de diameter van de aarde te berekenen. Eratosthenes van Syrene (nu Shahat in Libië), een veelzijdig geleerde, aardrijkskundige en directeur van de grote bibliotheek van Alexandrië, las in een papyrusboek dat in de buitenpost Syrene aan de Zuidgrens van Egypte (het huidige Aswan), bij de eerste stroomversnelling van de Nijl, verticale stokken tijdens de zomerzonnewende op 21 juni helemaal geen schaduw wierpen. Precies op dat moment kon men de zon zien weerkaatsen in het water op de bodem van de bronnen.
Hij realiseerde zich dat een verticale stok in Alexandrië, ongeveer 800 kilometer pal ten noorden, op hetzelfde moment wél een schaduw wierp. Door de lengte van de schaduw te meten, berekende hij dat de zonnestralen in Alexandrië een hoek van iets meer dan zeven graden van een cirkel maakten met de loodlijn op de middag van de zonnewende. De afstand tussen Alexandrië en Syrene was dus een vijftigste van de omtrek van een grote cirkel rond de aarde. Omdat deze cirkel een omtrek van 2πr had, kon hij de waarde voor r, de straal van de aarde, gemakkelijk berekenen.
Hoeveel dagen een karavaan kamelen erover deed om van Alexandrië naar Syrene te reizen, was bekend. Eratosthenes huurde een man in die een dagreis afpaste en berekende de afstand: 5000 stadiën, een maat die we tegenwoordig niet precies kennen. Dreyer, de Ierse historicus in de sterrenkunde, stelde 1 stadië gelijk aan 157,7 meter. Maar het is duidelijk dat de verkregen waarde voor de straal van de aarde slechts een paar procent van de correcte waarde afweek. Eratosthenes was de eerste die de omvang van de planeet correct heeft opgemeten en zijn tijdgenoten waren allemaal overtuigd van de juistheid van zijn meting. (24)

  terug naar de Inhoud

9. Hemelse voorspellingen - Hipparchus ca. 190 - 120 v.Chr.
Door David Hughes
Hipparchus was de grootste sterrenkundige waarnemer van de Oudheid en verantwoordelijk voor de verandering van de Griekse wiskundige sterrenkunde van een beschrijvende in een voorspellende wetenschap. Hij schatte de lengte van het jaar op 365 dagen, 5 uur en 55 minuten, maar realiseerde zich dat de seizoenen een verschillende lengte hadden - lente, zomer, herfst en winter duurden respectievelijk 94,5, 92,5, 88,125 en 90,125 dagen.
Met behulp van de meetkunde berekende hij vervolgens (waarbij hij en passant de driehoeksmeting ontwikkelde) dat de afstand van de aarde tot de zon het kortst was op 4 januari en het langst op 4juli. Typerend voor zijn nauwkeurigheid is de waarde die hij verkreeg voor de lengte van de maand. Zijn 29 dagen, 12 uur, 44 minuten en 2,5 seconden zaten er maar één seconde naast.

Hipparchus was ook verantwoordelijk voor het verenigen van de Babylonische en de Griekse sterrenkundige tradities en het opnemen van de cirkel van 360 graden in de westerse wiskunde. Tijdens het vertalen van Babylonische geschriften maakte hij een lijst van de maaneclipsen van de afgelopen 800 jaar. Hij merkte op dat de coördinaten van de ster Spica in een tijdsbestek van 150 jaar waren veranderd en ontdekte de 'precessie van de equinoxen'. Hij ontdekte dat het lentepunt in de Ram (de positie van de zon op de eerste dag van de lente) per eeuw één graad verschoof (de werkelijke snelheid is een graad per 71,7 jaar). Deze langzame verschuiving westwaarts van de coördinaten van de sterren wordt veroorzaakt door de veranderlijke stand van de aardas die in een cyclus van 25.800 jaar schommelt als een draaitol.

Hipparchus dacht dat de posities van de sterren mogelijk aan het veranderen waren. Hij werd geïnspireerd door een nieuwe ster in het sterrenbeeld Schorpioen in 134 v.Chr. en stelde de eerste gedetailleerde sterrencatalogus samen. De posities van 850 sterren die met het blote oog zichtbaar waren, werden zorgvuldig genoteerd. Hij verdeelde deze sterren in verschillende categorieën van belangrijkheid, de helderste in de eerste categorie en de zwakste in de zesde. Deze 'magnitudeschaal' wordt tegenwoordig nog altijd gebruikt. (26)

  terug naar de Inhoud

10. Geneeskrachtige planten - Pedanius Dioscorides ca. 20 - 90
Door W.F. Bynum
Tot de opkomst van de farmaceutische industrie aan het einde van de negentiende eeuw kwamen de meeste geneesmiddelen van planten. Tijdens hun studie geneeskunde leerden studenten plantkunde en veel gebruikte receptenboeken richtten zich op het plantenrijk als de belangrijkste hulpbron in tijden van ziekte. De oorsprong van deze aanpak ligt in de Oudheid. De belangrijkste bron was De Materia Medica van Pedanius Dioscorides, chirurg bij het Romeinse leger, die net als Galenus in het Grieks schreef.
Het werk van Dioscorides verzamelde de oude kennis van geneeskundige behandelingen en breidde die uit. Hoewel maar een paar biografische gegevens bewaard zijn gebleven, werd over hem gezegd dat hij een soldatenleven heeft geleid en ongetwijfeld veel reisde in het Middellandse Zeegebied, waar hij informatie vergaarde over plaatselijke planten en leerde hoe hij die het best kon verzamelen, bewaren, bereiden en gebruiken.
Hij noteerde over de planten gedetailleerde informatie, waaronder de natuurlijke omgeving, fysieke kenmerken en welke delen ervan het best bij een behandeling konden worden gebruikt. Omdat zoveel oude teksten verloren zijn gegaan, kunnen we onmogelijk zeggen hoeveel 'nieuwe' remedies Dioscorides introduceerde, maar zijn monografie beschreef een groot aantal geneeskrachtige planten waaronder kaneel, wolfskers, jeneverbes, lavendel, amandelolie, gernber en alsem. Minder dan een kwart van 'zijn' planten werden genoemd in de geschriften van Hippocratus.

De Materia Medina van Dioscorides beperkte zich niet tot plantaardige geneesmiddelen: een klein
gedeelte van zijn bereidingen was van dierlijke of minerale oorsprong. Hij beschreef de hele reeks beschikbare geneesmiddelen in een eenvoudige en op ervaring gebaseerde methode en schiep daarmee een standaard die meer dan 1600 jaar werd gebruikt. Zijn werk werd in de Middeleeuwen en de renaissance gekopieerd en uitgebreid, zodat hij een 'levende' schrijver bleef. Door de Herbal van de Engelsman Nicholas Culpeper en anderen blijft zijn invloed voortduren, vooral in de opvatting dat plantaardige geneesmiddelen 'natuurlijker' en daarom ook 'veiliger' zijn. (28)

  terug naar de Inhoud

11. Het geocentrische heelal - Claudius Ptolemaeus ca. 90 - 168
Door David Hughes
Claudius Ptolemaeus, de Alexandrijnse sterrenkundige, geograaf en wiskundige, was zeer stellig in zijn uitspraken en zijn Almagest (die in moderne vertaling 500 blz.n telt) werd bijna 1400 jaar lang uiterst serieus genomen. Hij opperde niet alleen dat de hemel bolvormig leek, maar hield botweg vol dat het héél precies bolvormig was. Omdat de nachtelijke hemel een volmaakte halve bol beschreef, moest de aarde in het middelpunt van het heelal liggen - haar natuurlijke plek volgens de kosmologie van Aristoteles. Bovendien draaide de aarde van Ptolemaeus niet rond. Vogels en wolken zouden in dat geval achterblijven.
De Almagest bouwde voort op een groot deel van het werk van Hipparchus driehonderd jaar eerder, inclusief metingen van de hoek tussen het vlak van de evenaar van de aarde en het vlak van haar baan, schattingen van de afstand van de aarde tot de maan en de zon en een catalogus van de sterren. Het werk bevat ook een lijst van 44 sterrenbeelden waaraan Ptolemaeus namen gaf die we tegenwoordig nog steeds gebruiken, zoals Orion en Leeuw.
Ptolemaeus' invloedrijkste bijdrage was zijn wiskundige theorie over planeetbewegingen. Gelukkig beschrijven alle planeten een nagenoeg cirkelvormige baan om de zon, zodat zijn geocentrische systeem kon worden gebruikt om hun positie redelijk nauwkeurig te voorspellen.

Kort samengevat, Ptolemaeus' planeten bewogen gestaag langs een volmaakte cirkel (de epicykel) en het middelpunt van die cirkel bewoog gestaag langs een andere volmaakte cirkel (de deferent) met als middelpunt de aarde. Maar Ptolemaeus introduceerde lastige complicaties zoals de 'equant' voor de veranderende snelheden en bewegingen van de planeten en de elliptische banen die ze in werkelijkheid beschreven.
Toch was de Almagest van Ptolemaeus een wiskundige krachttoer. Alle Europese sterrenkundigen geloofden tot de tijd van Tycho Brahe dat de cirkels waaraan de hemellichamen hingen echt bestonden. Ptolemaeus schreef ook veel over astrologie en geografie. Zijn geografische monografie was voor de klassieke geografie net zo belangrijk als zijn sterrenkundige monografie voor de klassieke sterrenkunde.
Als sterrenkundige en geograaf behield Ptolemaeus tot de zeventiende eeuw een grote invloed op de wetenschap. (30)

  terug naar de Inhoud

12. Het lichaam in kwestie - Galenus ca. 130 - 201
Door Helen Power
De Griekse arts Galenus stelde een systeem van medische kennis samen dat de westerse wereld tot aan de renaissance heeft beheerst. Ook al zijn Galenus' theorieën in de zeventiende en achttiende eeuw verbeterd, we kennen nog steeds zijn begrippen van 'flegmatische', 'melancholische' en 'cholerische' persoonlijkheden - een hele prestatie voor een arts op een Romeinse gladiatorenschool.
Galenus groeide op in Pergamon, dicht bij de Egeïsche kust van het huidige Turkije, en werd beïnvloed door het medische denken van Hippocrates, de anatomische en fysiologische leer van Herophilus en Erasistratus en de filosofie van Plato en Aristoteles. Hij was van mening dat een goed arts niet alleen gebruik moest maken van de natuurwetenschappen, maar ook van de principes van de logica, die ten grondslag liggen aan nauwgezet medisch onderzoek. Zijn rijke geschriften bevatten een uitvoerig en rationeel systeem van medische filosofie.
Volgens de geneeskunde van Galenus was het lichaam gevuld met vier essentiële sappen ('temperamenten') - gele gal, bloed, slijm en zwarte gal. Deze stonden onder de invloed van de vier elementen (vuur, lucht, water, aarde), de vier eigenschappen (warmte, vocht, kou, droogte), de vier fasen van het leven (kinderjaren, jeugd, volwassenheid, ouderdom) en de vier seizoenen.
Over het algemeen werd ziekte toegeschreven aan verstoringen in het evenwicht van de lichaamssappen door bijvoorbeeld voedsel en klimaat - vandaar de therapeutische praktijk van het aderlaten. Verder was het lichaam doordrongen van drie soorten damp of levenskracht, die werden gevormd in de drie belangrijkste organen - hart, lever en hersenen.
De grootheid van Galenus lag in zijn waarnemingen, niet in zijn theorie. Hij experimenteerde veel en hield openbare lezingen en demonstraties over anatomie. Maar door het verbod op menselijke ontleding moest hij voor zijn onderzoek dieren gebruiken. Niet alles wat hij zag was van toepassing op de menselijke anatomie en daarom had hij het soms bij het verkeerde eind. Maar hij leverde een belangrijke bijdrage aan ons begrip van spijsvertering, zenuwprikkels, de ruggengraat, de aanmaak van bloed, de ademhaling, de hartslag en de polsslag - die hij als eerste als diagnostisch hulpmiddel gebruikte.
In de twaalfde eeuw had de Italiaanse stad Salerno Europa's eerste medische faculteit opgericht. (32)

  terug naar de Inhoud

13. De nul - Brahmagupta ca. 598 - 665
Door Richard Mankiewicz
De nul is als concept fundamenteel voor de wiskunde en de nul is ons als symbool nu net zo vertrouwd als de andere negen getalsymbolen. Toch heeft het een aantal eeuwen geduurd, voordat men de nul op een wiskundig exacte manier kon laten werken. De Babyloniërs, Egyptenaren, Grieken en Romeinen werkten voornamelijk zonder een erkend nulsymbool. In ongeveer 130 n.Chr. voegde Ptolemaeus de letter 'omicron' als de nul toe aan het Soemerische getallenstelsel, dat was gebaseerd op 60, maar deze letter raakte in onbruik.
De nul zoals we die nu gebruiken, is in India ontstaan. In de zevende eeuw gebruikten Indiase wiskundigen vaak een woord om de afwezigheid van een getal in hun decimale stelsel aan te duiden (en verwarring te vermijden tussen bijvoorbeeld 305, 35 of 350). Dit werd aangegeven als een punt die zich ontwikkelde tot een herkenbaar nulsymbool. Hoewel dit symbool voor het eerst wordt gebruikt in een inscriptie op een Indiaas stenen tablet uit 876 n.Chr., getuigen vroegere geschriften van de inspanningen om de nul deel te laten uitmaken van het getallenstelsel.

De Hindoestaanse sterrenkundige en wiskundige Brahmagupta probeerde 200 jaar eerder de rekenkundige bewerkingen waaraan de nul te pas komt, te definiëren. Optellen en aftrekken waren geen probleem en elk getal dat met nul werd vermenigvuldigd leverde blijkbaar nul op. Maar delen bleek lastiger te zijn. Hij had het bij het verkeerde eind toen hij zei dat nul gedeeld door nul gelijk is aan nul en voor breuken als 0/2 en 3/0 als zodanig vond hij geen oplossing, hoewel hij eraan toevoegde dat de eerste van deze twee nul zou kunnen zijn.
Ongeveer 200 jaar later beweerde de jaïnistische wiskundige Mahavira dat een getal niet veranderde als het werd gedeeld door nul. Dat was niet correct, maar zijn stelling dat de vierkantswortel van nul nul is, was wel correct. Zelfs in de twaalfde eeuw zei de vooraanstaande Indiase wiskundige Bhaskara nog dat delen door nul een hoeveelheid oplevert 'net zo oneindig als de god Visjnoe'.
Ondanks deze problemen verspreidde het decimale stelsel van de Hindoes zich westwaarts naar Perzië, het Arabische rijk en Europa en oostwaarts naar China. Een moderne oplossing voor de cruciale rol van de nul in de wiskunde van het oneindig kleine en oneindig grote, kwam tot stand door het werk van de Duitse wiskundige Georg Cantor aan het einde van de negentiende eeuw. (34)

  terug naar de Inhoud

14. De regenboog ontrafelen - Abu Ali Al-Hasan ibn Al-Haitham ca. 965 - 1039
Door Richard Mankiewicz
De geschiedenis van de optica is nauw verbonden met een van onze geliefdste natuurverschijnselen - de regenboog. Volgens Aristoteles ontstond een regenboog doordat wolken als een enorme lens werkten en het zonlicht reflecteerden. Ptolemaeus experimenteerde later met straalbreking - de buiging van het licht wanneer het van het ene medium naar een ander gaat (zoals lucht, water of glas) - maar liet dat helemaal vallen toen hij de regenboog ging bestuderen.
Rond 1025 schreef de Arabische arts al-Haitham, in het Westen beter bekend als Alhazen, de bijzonder invloedrijke Opticae Thesaurus. Hij legde uit hoe lenzen werken, beschreef de bouw van het oog, maakte parabolische spiegels (die nu in telescopen worden gebruikt) en gaf experimentele waarden voor de breking van licht. Hierbij gaf hij correct aan dat licht naar een loodrechte positie buigt wanneer het een compacter medium binnendringt, doordat het dan vertraagt. Hij besprak ook de regenboog, maar hierbij volgde hij helaas de theorieën van Aristoteles.

De grootste prestatie in middeleeuwse optica was De Iride ('Over de regenboog') van de Duitse hoogleraar in de theologie Theodoric van Freiburg. In 1304 gebruikte hij, om waterdruppels te simuleren, een bolvormige fies gevuld met water. Hij combineerde de experimenten met de meetkunde en ontdekte dat een regenboog wordt gevormd door een lichtstraal die wordt gebroken, als hij van lucht in water komt, in de druppel wordt gereflecteerd en uiteindelijk weer wordt gebroken als hij weer in de lucht komt. Hij berekende ook correct de hoek van ongeveer 42 graden tussen het middelpunt van de regenboog en zijn halo. (Zoals vaak gebeurt in de wetenschap kwamen twee Arabische wetenschappers duizenden kilometers verderop op ongeveer hetzelfde tijdstip tot dezelfde conclusies.)
Wat Theodoric niet kon oplossen was hoe een dubbele regenboog werd gevormd en waarom de kleuren daarvan omgekeerd waren. Driehonderd jaar later toonde de Franse filosoof René Descartes aan dat de dubbele regenboog ontstaat door twee reflecties in de regendruppels. (36)

  terug naar de Inhoud

15. Algebra - Fibonacci ca. 1170 - 1240
Door Richard Mankiewicz
Onze bekende tien cijfers, van 0 tot en met 9, hebben hun oorsprong in India. Ze werden door moslim geleerden toegepast en later, na twee eeuwen koortsachtig vertalen in Moors Spanje en op Sicilië, naar Europa overgebracht.
Het Toledo van de twaalfde eeuw was een bijzonder vruchtbare plaats voor geleerden. De klassiekers van de hele wereld over wiskunde, wetenschap en literatuur werden er vertaald uit en in het Arabisch, Grieks, Hebreeuws, Latijn en Catalaans. Veel wiskundige woorden zijn in deze periode ontstaan. 'Algoritme' bijvoorbeeld komt van de naam van de Arabische wiskundige al-Khwarizmi uit de negende eeuw en 'algebra' van het Arabische aljabr.
In 1202 publiceerde de Italiaanse wiskundige Leonardo van Pisa (bijgenaamd 'Fibonacci') zijn Liber Abaci, dat de nieuwe rekenkunde van de 'negen Indiase getallen' en het 'zephirum' of de nul voor leken begrijpelijk maakte. Fibonacci besteedde veel aandacht aan handelsrekenen en er ontstond een hele bedrijfstak van professionele 'rekenmeesters' voor financiële berekeningen. Het eerste gedrukte boek over boekhouden was Luca Pacioli's Summa Arithmetica (1494) en boeken over financiële berekeningen en navigatieberekeningen werden bijzonder populair in de havens van Europa.

Samen met de nieuwe getallen ontstond de algebra. Tot die tijd werd wiskunde geschreven in woorden en werden problemen en de oplossing ervan in woorden weergegeven. Getallen werden voornamelijk gebruikt voor berekeningen. De Arabieren breidden het werk dat de Grieken deden om vergelijkingen op te lossen uit en gaven de aanzet tot de stap naar een stijl met afkortingen en formules die deels symbolisch en deels in woorden werden weergegeven. (Pacioli's eigen boek was een mengsel van tekst en algebra.)
De overgang van de Romeinse abacus naar het gebruik van Hindoe-Arabische getallen ging verbazingwekkend langzaam en er heerste een eeuwenlange rivaliteit tussen de twee systemen. De vooruitgang verliep traag en elk boek had zijn eigen algebraïsche symboliek. We vinden het eerste gebruik van het '=' teken in Engeland en de '+' en '-' komen uit Duitsland. In de tijd van Descartes lijkt de algebra heel hedendaags, ondanks het onlogische gebruik van '∞' in plaats van '='. En zeker in de tijd van Newton was het gebruik van de nieuwe getallen en van algebra echt goed ingeburgerd. (38)

  terug naar de Inhoud

16. Perspectief - Leon Battista Alberti 1404 - 1472, Piero della Francesca 1412 - 1492
Door Richard Mankiewicz
De opleving van de klassieke architectuur en de klassieke verhoudingen in de renaissance werd geïnspireerd door De Architectura van Vitruvius, een Romeinse bouwmeester uit de eerste eeuw v.Chr.
Maar de renaissance was ook het grote tijdperk van het realisme in de kunsten. Italiaanse schilders wilden hun tweedimensionale oppervlakken de illusie van een driedimensionale werkelijkheid geven. Om dit te bereiken moesten ze inzicht hebben in de wetten van het perspectief.
De eerste renaissanceschrijver over perspectief was de kunstenaar Leon Battista Alberti. Zijn La Pittura verscheen in 1435 in het Latijn terwijl een latere versie, in de Toscaanse streektaal, werd opgedragen aan de architect Filippo Brunelleschi, die in zijn werk perspectief gebruikte. Het veel voorkomende probleem was de constructie in perspectief van de vloer met ruitpatroon (pavimento) zoals die te zien is op veel schilderijen uit die tijd. Alberti's uitleg in La Pittura miste de praktische details die een kunstenaar nodig had en was waarschijnlijk alleen bedoeld om indruk te maken op zijn rijke beschermheren.

Het eerste werk met een degelijk begrip van de wiskundige regels voor het bereiken van perspectief, werd geschreven door Piero della Francesca. Hij voltooide zijn De Prospectiva Pingendi in 1488. Het werk werd nooit gepubliceerd en bleef een manuscript. Delen ervan vonden hun weg in latere gedrukte werken zoals De Divina Proportione van Luca Pacioli (1509), geïllustreerd door diens vriend Leonardo da Vinci. Piero ging uit van het gebruikelijke pavimento-probleem en behandelde ingewikkelder vormen zoals het menselijke lichaam. Maar de constructie van zulke realistische figuren was voor de meesten te moeilijk en er ontstond een hele industrie voor het vervaardigen van diverse mechanische hulpmiddelen zoals gaatjescamera's en referentieroosters om kunstenaars de weg te wijzen.
Veel voorbeelden vinden we in het werk van de Duitse kunstenaar Albrecht Dürer. Hij voltooide zijn eigen verhandeling over de verhoudingen in 1532, maar dacht dat wiskunde zijn lezers te veel schrik zou aanjagen en publiceerde twee jaar later een vereenvoudigde versie - het allereerste wiskundeboek in het Duits. (38)

  terug naar de Inhoud

17. Het heliocentrische heelal - Nicolaus Copernicus 1473 - 1543
Door David Hughes
Nicolaus Copernicus werd in 1473 geboren in Torun, Polen. In 1496 ging hij rechten en geneeskunde studeren in Italië. Daar raakte hij geïnteresseerd in sterrenkunde. De geocentrische sterrenkunde van het einde van de vijftiende eeuw kampte met problemen. Om te beginnen liep de kalender niet meer synchroon. Bovendien werd de 'equant' van Ptolemaeus beschouwd als een 'onnatuurlijke' complicatie. Volgens zijn model zou de schijnbare afmeting van de maan gedurende de maand aanzienlijk moeten veranderen en dat was duidelijk niet zo. Ook bestond er geen duidelijk samenhang binnen zijn gedetailleerde algemene benadering van planeetbanen. Verder was het een probleem dat de omloopperiode van elke planeet in verband werd gebracht met het zonnejaar.
In 1503 keerde Copernicus terug naar Polen en werd onder zijn oom kanunnik in de kathedraal van Frombock (nu Frauenberg in Duitsland). Dankzij zijn gemakkelijke kerkelijke taak kon hij zich op de sterrenkunde toeleggen. Hij veranderde de wetenschap in één klap door de storende equanten te schrappen en de zon een andere plaats te geven. De zon was geen lid van de zeven bewegende hemellichamen meer en kreeg een plaats in het middelpunt van het stelsel. De aarde werd tot de derde planeet vanaf de zon gedegradeerd; de maan negeerde de zon en bleef in een baan rond de aarde.

Copernicus verdeelde de planeten in twee groepen: de binnenplaneten binnen de baan van de aarde en de buitenplaneten buiten die baan. Hij gaf de ordening van de planeten een vaste vorm, terwijl de ordening van Ptolemaeus nog willekeurig was. De afstanden van de planeten tot de zon en de omloopperioden van de planeten konden worden berekend en bleken in een harmonieus verband te staan.
De beweging van de aarde verklaarde gemakkelijk en eenvoudig de soms achterwaartse ('retrograde') bewegingen van Mars, Jupiter en Saturnus. Rheticus (Georgjoachim von Lauchen) publiceerde in 1539 een samenvatting van Copernicus' werk en hield toezicht op de publicatie van de volledige De Revolutionibus in 1543, het jaar waarin Copernicus stierf Dit werd gaandeweg een handboek voor iedereen die geïnteresseerd was in het berekenen van planetaire posities. (42)

  terug naar de Inhoud

18. De menselijke anatomie - Andreas Vesalius 1514 - 1564
Door Helen Power
De wedergeboorte van de onderzoekswetenschap in de renaissance had een grote invloed op de anatomie en de fysiologie. De mens begon de natuur weer te onderzoeken en vertrouwde niet langer op kennis die was gebaseerd op oude leerstellingen of bijgeloof. In de handen van een jong arts, Andreas Vesalius, zorgde de steeds respectabeler wordende praktijk van de ontleding van het menselijke lichaam voor nieuwe kennis. Die werd doorgegeven aan mensen die Latijn konden lezen in zijn voortreffelijke meesterwerk De Humani Corporis Fabrica ('Over de structuur van het menselijk lichaam'), dat in 1543 in Basel, in Zwitserland, werd gepubliceerd.
Vesalius werd geboren in Brussel en studeerde geneeskunde in Leuven en Parijs. Hij behaalde zijn medische titel in Padua in Italië toen hij 23 was en bleef er als hoogleraar in de anatomie verbonden aan de universiteit. In een kenmerkende, onconventionele stijl hield hij zelf zijn anatomische demonstraties en delegeerde de ontledingen niet aan een assistent. Zijn faam groeide en in 1539 kreeg hij voor zijn onderzoek de beschikking over lichamen van terechtgestelde misdadigers en voor zijn colleges over kadavers.

Vier jaar later presenteerde hij zijn bevindingen in Fabrica, zeven uitstekende boeken met tekst en illustraties. De waarde van Fabrica ligt niet alleen in de correctie van de anatomische vergissingen van Galenus, zoals de overtuiging dat een galkanaal in de maag en in de twaalfvingerige darm uitkwam of dat de menselijke kaak uit twee botten bestond.
Vesalius stelde zich ook tot taak om van de anatomie de basis van de geneeskunde te maken. In zijn werk werden de natuurwetenschappen gescheiden van de filosofie, misschien wel voor de eerste keer. Hij toonde aan dat anatomische kennis, verworven door rechtstreeks contact met het menselijke lichaam, essentieel is voor de ontwikkeling van de geneeskunde. Hij daagde de doorgaans afkerige artsen uit hun eigen operaties te verrichten en stimuleerde studenten kennis van de anatomie te krijgen door zelf ontledingen uit te voeren. Zijn nauwkeurige illustraties van de spieren en zenuwen van mannen die op een natuurlijke manier tussen oude ruïnes staan, zijn tekenend voor de geboorte van een nieuwe geneeskunde.
Vesalius verliet zich voor de ruim 200 houtsneden van zijn boek op nauwkeurige ontledingen en op de nieuwste ontwikkelingen in artistieke technieken en de boekdrukkunst. (44)

  terug naar de Inhoud

19. Fossielen - Konrad von Gesner 1516 - 1565
Door Douglas Palmer
Konrad von Gesner, de Zwitserse natuurgeleerde en arts uit de zestiende eeuw, werd als de grootste natuurkenner van zijn tijd beschouwd. Hij publiceerde in totaal 72 werken en liet er 18 onvoltooid achter. In 1565, het jaar waarin hij in Zürich aan de pest stierf, voltooide hij zijn vernieuwende De Rerum Fossilium ('Over dingen die uit de aarde zijn opgegraven'), dat het begin inluidde van de wetenschap van de paleontologie. Ook vermeldenswaard zijn zijn Historia Animalium, waarin hij alle toen bekende dieren probeerde te beschrijven, en zijn Bibliotheca Universalis, die de titels bevatte van alle Hebreeuwse, Griekse en Latijnse boeken die in die tijd bekend waren, aangevuld met kritieken en samenvattingen.
Voor von Gesner en zijn tijdgenoten omvatte het woord 'fossiel' elk natuurlijk voorwerp dat in de grond werd gevonden. Het is dus niet verwonderlijk dat ze moeite hadden om deze 'steenachtige concreties', zoals von Gesner ze noemde, te begrijpen. Zelfs vandaag de dag zijn fossielen vaak moeilijk te beoordelen: het versteningsproces verbergt soms niet alleen de oorspronkelijke aard van de organische resten, maar produceert ook objecten die op organismen lijken, maar in werkelijkheid anorganisch zijn - getuige de discussie over microfossielen van Mars.

Von Gesners klassieke opleiding leerde hem dat het benoemen en classificeren van de fossielen uitermate belangrijk was. Het belangrijkste was dat hij zich inzette voor een nauwkeurige identificatie. Zijn boek was het eerste met illustraties van fossielen met tamelijk ruwe houtsneden, zodat "studenten gemakkelijker de voorwerpen kunnen herkennen die niet heel duidelijk met woorden beschreven kunnen worden."
Hoewel sommige interpretaties onjuist bleken te zijn, waren andere opmerkelijk ingenieus. Zijn beschrijving van bijvoorbeeld haaientanden samen met 'tongstenen', waarvan over het algemeen werd aangenomen dat ze uit de lucht waren gevallen, toont dat het belang van hun overeenkomst niet helemaal aan hem voorbij was gegaan: 'tongstenen' zijn inderdaad haaientanden.
Von Gesner had moeite met het beoordelen van de fossielen van uitgestorven weekdieren, bekend als ammonieten. Hij identificeerde sommige als slakkenhuizen, terwijl hij andere verwarde met opgerolde slangen. (46)

  terug naar de Inhoud

20. Een nieuwe ster - Tycho Brahe 1546 - 1601
Door David Hughes
Tycho Brahe, een aristocratische Deen, was een toegewijd sterrenkundig waarnemer die met financiële steun van koning Frederik II een prachtige sterrenwacht bouwde op het eiland Hven (nu Ven) in de Oostzee. Tycho zag dat de planeten de banen die Copernicus had bepaald, niet helemaal volgden en daarom besloot hij zijn leven te wijden aan een nauwkeuriger waarneming van de posities van planeten en sterren.
Na zonsondergang, op de heldere avond van 11 november 1572, zag Tycho in het sterrenbeeld
Cassiopeia een nieuwe ster opvlammen. Vijftien maanden lang volgde hij de veranderingen in kleur en helderheid van de ster en publiceerde de resultaten in zijn boek Progymnasmata. Deze 'nova' was eigenlijk geen nieuwe ster, maar een bestaande ster die was geëxplodeerd en enorm in helderheid was toegenomen.
Zijn waarnemingen van de grote komeet van 1577 waren nog opwindender. Tycho probeerde te schatten hoe ver die van de aarde verwijderd was door zijn positie te vergelijken met die van verre sterren zoals die 's nachts door sterrenkundigen in heel Europa werden waargenomen. Omdat hij geen verschuiving of 'parallax' kon ontdekken, kwam Tycho tot de conclusie dat de komeet verder weg was dan de maan.

Aristoteles beschouwde kometen als meteorologische objecten net boven de wolken. Tycho toonde aan dat ze daar buiten waren, net als de planeten. De varierende vorm en helderheid van de grote komeet overtuigden hem ervan dat hij een elliptische baan volgde en dat betekende dat hij door de 'kristallijne sferen' moest zijn gestort. Tycho opperde dat deze sferen niet bestonden en dat de planeten op hun zwerftochten niet werden gesteund. Tycho's toewijding aan het ontwerpen van grote, stabiele en opmerkelijk nauwkeurige instrumenten voor het blote oog, veranderde de sterrenkundige waarneming ingrijpend.
Hij was er ook trots op dat hij kosmoloog was. Dit was echter niet volkomen terecht. Zijn 'Tychonische stelsel' was een foutief en conservatief compromis tussen Ptolemaeus en Copernicus: de aarde stond weer stil, terwijl zon en maan eromheen draaiden, en de andere vijf bekende planeten op hun beurt om de zon wentelden. (48)

  terug naar de Inhoud

21. Natuurlijk magnetisme - William Gilbert 1544 - 1603
Door Jacgueline Reynolds en Charles Tanford
Het verschijnsel magnetisme, waarbij ijzeratomen als kleine magnetische staafjes zich op één lijn in dezelfde richting schikken en allemaal naar het noorden en zuiden wijzen, was algemeen bekend bij alle oude beschavingen. Omstreeks de dertiende eeuw waren er berichten van zeelui die op het water drijvende magnetische naalden als een vroege vorm van een kompas gebruikten. Verklaringen voor dit eigenaardige verschijnsel gingen terug op oude Griekse modellen van het heelal als een vaste hemelse sfeer van waaruit allerlei goede en slechte invloeden ons leven bepaalden. Daarbij waren ook magnetische krachten: magneten gingen op een lijn liggen met de 'polen' van de hemelse sfeer, alsof ze door de hemel werden beheerst.

De Engelse natuurarts William Gilbert (of Gylberde) maakte een einde aan deze fantasierijke veronderstellingen en legde de basis voor het magnetisme als wetenschap met de publicatie van zijn boek De Magnete in l600. Hij veronderstelde dat de aarde zelf een reusachtige magneet was. Door van gewoon magnetisch materiaal een kleine, bolvormige, permanente magneet te maken, kon hij aantonen dat heel kleine magnetische naalden op het oppervlak van deze bol (een 'terrella' genoemd) zich net als magneten op het oppervlak van de aarde gedroegen.
Heel opvallend was dat de experimentele naalden op de terrella inclinatie nabootsten: de hoek die een kompasnaald met het horizontale vlak vormt als je van de evenaar naar de polen gaat. "Het is geregeld door de natuur," concludeerde Gilbert, "... dat de pool zelf de zetel, de troon als het ware, van een hogere en grootse macht is."
Gilbert was een van de eerste echte experimentatoren die zich eerder op waarnemingen baseerden dan op filosofische speculaties en die de beroemde voorstander van de experimentele methode, Francis Bacon, een aantal jaren voorafgingen. Gilberts bewijs dat de aarde en niet de hemel de macht had, overtrof de kracht van het magnetisme en beïnvloedde het denken over de fysieke wereld. (50)

  terug naar de Inhoud

22. De wetten van de planetaire beweging - Johannes Kepler 1571 - 1630
Door David Hughes
Johannes Kepler was een Duits wiskundig genie met een obsessie voor getallen. Hij stelde zich tot taak te begrijpen waarom de planeetbanen hun welbepaalde vorm en afmeting hadden, en hoe dit zich verhield tot de tijd die een planeet nodig had om zijn omloop te voltooien.
Omdat de lutheraan Kepler wegens zijn geloof werd vervolgd, verliet hij Graz in 1598 en reisde naar Praag om er met Tycho Brahe te werken. Hij volgde hem in 1601 op als keizerlijk wiskundige. Tycho was een voortreffelijke sterrenkundige en Kepler zette zich aan de interpretatie van zijn waarnemingen van Mars.
Na veel langdradige testen en het steeds opnieuw verwerpen van modellen die niet overeenkwamen met Tycho's nauwkeurige gegevens, realiseerde Kepler zich ten slotte dat Mars een elliptische baan had en dat de zon zich in een van de twee 'brandpunten' bevond. De ketenen van de cirkelvorm die het ontrafelen van planeetbanen tweeduizend jaar lang hadden beheerst, werden uiteindelijk verbroken.
Keplers eerste wet werd in 1609 gepubliceerd in zijn boek Astronomia Nova, samen met zijn tweede wet (ontdekt vóór de eerste). De tweede wet beschrijft hoe de denkbeeldige lijn die de zon met een planeet verbindt in gelijke tijden gelijke gebieden doorloopt. Dit verklaart waarom een planeet sneller beweegt naarmate zijn afstand tot de zon kleiner is.

Kepler was gefascineerd door hemelse harmonieën. Keplers planetenmodel van 1596 was gebaseerd op de 'vijf regelmatige veelvlakken'. Hij beweerde dat het Gods bouwplan van de hemel onthulde.
Zijn derde en laatste wet - het kwadraat van de omlooptijd van de planeet is evenredig met de derde macht van de gemiddelde afstand tot de zon - werd in 1619 gepubliceerd, ergens diep verborgen in zijn mystieke Harmonice Mundi. Kepler probeerde de krachten te begrijpen die ten grondslag liggen aan de planeetbewegingen en opperde (onjuist) dat tussen de planeten en de zon een magnetische interactie bestond. Zijn Rudolfijnse Tafels van 1627 waren de eerste moderne sterrenkundige tabellen, die de pas ontdekte logaritmen van John Napier gebruikten. Hiermee konden sterrenkundigen de positie van de planeten op elk moment in verleden, heden en toekomst voorspellen. Door de nauwkeurigheid ervan verwierf Kepler veel faam. (52)

  terug naar de Inhoud

23. De hemel door een telescoop - Galileo Galilei 1564 - 1642
Door David Hughes
In de zomer van 1609, toen Galileo Galilei in Venetië was, hoorde hij dat twee Nederlanders door twee stukken gebogen doorzichtig glas met elkaar te combineren een instrument hadden gebouwd, waarmee verre objecten dichterbij leken. Op dat moment waren bolle lenzen al ongeveer 300 jaar in gebruik en holle lenzen ongeveer 150 jaar. In de herfst van 1608 ontwikkelden Hans Lippershey en Zacharias Janssen, twee onafhankelijke brillenglasmakers die onder de rook van de glasfabriek in Middelburg werkten, allebei een telescoop. Een paar maanden later had het nieuws zich over heel Europa verspreid.
(Lippersheys leerjongen is waarschijnlijk de eerste die het effect van een zwakke bolle lens op een halve meter afstand in combinatie met een sterke holle lens dicht bij het oog heeft opgemerkt.)

Galilei had technisch gezien een groot improvisatietalent. In augustus 1609 had hij een telescoop gemaakt die objecten acht keer vergrootte en tegen het einde van het jaar had hij dat verhoogd tot twintig keer. Begin december 1609 ontdekte hij dat de maan bergen had en had hij de hoogte van een paar ervan gemeten. Tegen half januari 1610 had hij rond Jupiter vier manen ontdekt en noemde die ter ere van groothertog Cosimo de Sterren van de Medici.
Toen hij naar de Melkweg keek, realiseerde hij zich dat wat met het blote oog op een lichtgevende vlek leek in werkelijk tienduizenden zwakke sterren waren. Het werd duidelijk dat planeten in tegenstelling tot de sterren schijfvormig waren en dat Venus schijngestalten vertoonde, net als de maan. De vlekkerige en onzuivere zon was verre van het symbool van perfectie, zoals Aristoteles had gesteld en draaide elke 25 dagen éen keer om haar as.
Galilei publiceerde zijn bevindingen snel, voordat iemand anders hem voor was. Op 13 maart 1610 stuurde hij een kopie van het manuscript van zijn Sidereus Nuncius ('Boodschapper van de sterren') naar het Florentijnse hof. Tegen 19 maart waren niet alleen 550 exemplaren gedrukt, maar ook allemaal verkocht.
Door zijn telescopische waarnemingen raakte Galilei overtuigd van de waarheid van het heliocentrische wereldbeeld van Copernicus, een leer die hij in 1633 onder druk van de inquisitie moest afzweren. (54)

  terug naar de Inhoud

24. Boyles Sceptical Chymist - Robert Boyle 1627 - 1691
Door Phil Ball
Robert Boyle wordt door velen beschouwd als de grondlegger van de moderne scheikunde. Niettemin was deze zoon van een Engels-Ierse aristocraat ook een ingewijde alchemist, die enthousiast naar de Steen der Wijzen zocht. Zijn belangrijke werk The Sceptical Chymist (1661) is niet zozeer een weerlegging van de alchemie, maar veeleer een kritiek op die onderdelen ervan, die hij onvoldoende onderbouwd achtte. Boyle onderscheidde 'alchemie' beslist niet van 'chemie': de overgangsterm 'chymistry' bevat elementen van beide. Zijn doel was veeleer een onderscheid te maken tussen kwakzalvers en bijgelovige 'onwetende propagandisten', die recepten blindelings volgden en de zaakkundige 'chymische filosofen', die de kunst van transmutatie op een systematische, 'wetenschappelijke' manier beoefenden. De belangrijkste doelen van Boyles scepticisme waren de scheikundige theorieën van Aristoteles, Paracelsus en Jan Baptista van Helmont. Aristotelianen hielden vol dat er vier elementen waren waaruit alles is opgebouwd: aarde, lucht, vuur en water. In de zestiende eeuw had Paracelsus het kwartet van Aristoteles overdekt met een stelsel van drie 'principes' waaruit alle materie was opgebouwd: zwavel, kwik en zout. Dit was een uitbreiding van de eerdere alchemische zwavel-kwik-theorie van metalen. Boyle noemde de aanhangers van Paracelsus en Van Helmont - de zogenoemde spagyristen - 'ordinaire chymici'. Maar hij bood geen alternatief stelsel en zei alleen dat er mogelijk meer dan vier (misschien zelfs meer dan elementen zijn.

Zijn veel geprezen definitie van een element - 'primitieve en eenvoudige, of niet vermengde lichamen, die niet zijn gemaakt van andere lichamen of van elkaar, zijn de ingrediënten waaruit alle lichamen die perfect bereid zijn, rechtstreeks zijn samengesteld' - voegde op zichzelf niet veel aan die van Aristoteles toe. Boyle had zijn twijfels of deze elementen in werkelijkheid konden bestaan. Maar een van zijn treffendste bijdragen was zijn aandringen op experimenten om te weten te komen "uit welke heterogene delen bepaalde lichamen zijn opgebouwd", zoals geïllustreerd door zijn verhelderende onderzoek naar de eigenschappen van gassen met de 'luchtpomp'. (70)

  terug naar de Inhoud

25. De planetaire afstanden - Giovanni Domenico Cassini 1625 - 1712
Door David Hughes In 1543, toen Nicolaus Copernicus het idee van een heliocentrisch heelal introduceerde, konden de verhoudingen tussen de afstanden van de planeten tot de zon gemakkelijk worden berekend. Dit werd nog eenvoudiger in het begin van de zeventiende eeuw, nadat Johannes Kepler in zijn harmonische wet had gesteld, dat het kwadraat van de tijd die een planeet nodig heeft om rond de zon te draaien, evenredig is aan de derde macht van haar gemiddelde afstand tot de zon. Maar tot de tijd van Giovanni Domenico Cassini was het hoogst onbetrouwbare getal van Aristarchus van Samos uit 280 v.Chr., die had gezegd dat de zon ongeveer twintig keer zo ver van de aarde stond als de maan, de enige exacte waarde aan de hand waarvan men de afmetingen van het zonnestelsel kon berekenen.

Cassini werd door koning Lodewijk XIV benoemd tot directeur van de sterrenwacht in Parijs. In 1671 stonden de zon, de aarde en de maan op één lijn en was de afstand van de aarde tot Mars het kleinst. Cassini maakte hier gretig gebruik van en stuurde Jean Richer naar Cayenne aan de noordoostkust van Zuid-Amerika. Vervolgens maten Cassini in Parijs en Richer in Cayenne gelijktijdig de hoekpositie van Mars ten opzichte van de verre sterren.
Met driehoeksmeting en rekening houdend met het feit dat de twee waarnemingsposten 10.000 kilometer uit elkaar lagen, berekende Cassini de afstand tussen de aarde en Mars. Hij maakte gebruik van Keplers harmonische wet en kwam tot de conclusie dat de afstand tussen de aarde en de zon 138.000.000 kilometer was, slechts zeven procent minder dan de correcte afstand. Door middel van driehoeksmeting konden sterrenkundigen vervolgens de grootte van de zon en van de planeten berekenen, want ze wisten onder welke hoek hun schijf vanaf de aarde wordt gezien. Tot ontsteltenis van velen bleek dat de zon 110 keer zo groot was als onze planeet.
Nadat Isaac Newton de Principia Mathematica (1687) had gepubliceerd, waarin hij zijn zwaartekrachttheorie schetste, werd men zich ervan bewust dat de massa van de zon ongeveer 330.000 keer zo groot is als die van de aarde. Kennis van de omvang en de massa van de zon leverde de basis voor astrofysica. (74)

  terug naar de Inhoud

26. De Principia van Newton - Isaac Newton 1642 - 1727
Door Phil Ball
Als hoogleraar wiskunde in Cambridge had Isaac Newton zijn reputatie al gevestigd lang vóór de publicatie van zijn meesterwerk Principia Mathematica in 1687. In 1666, vijf jaar nadat hij zich als student had ingeschreven aan het Trinity College, legde hij de basis voor de wet van Bouguer-Lambert Beer, die beschrijft hoe de aantrekkingskracht van de zon op de planeten met de afstand afneemt en besefte hij dat zo'n aantrekkingskracht ook gold voor vallende appelen ten opzichte van de aarde.
Om planetaire bewegingen in wiskundige termen uit te drukken, ontwikkelde hij de techniek van de infinitesimaalrekening. Onafhankelijk van Newton bedacht de Duitse filosoof Gottfried Willhelm Leibniz in 1673-1675 zijn eigen versie daarvan. De daaropvolgende strijd om de eer van de uitvinding is legendarisch.
De Principia was het resultaat van een andere bittere polemiek waarin de scherpzinnige Newton het opnam tegen Robert Hooke. In 1672 had Hooke naar de Royal Society een weinig geïnspireerd rapport gestuurd over Newtons verhandeling Theory of Light and Colours, de voorloper van zijn Opticks (1704), die verklaarde dat wit licht 'een heterogeen mengsel is van stralen die op een verschillende manier breken'. Toen Newton dus in 1684 van Hookes terloopse bewering hoorde dat hij, Hooke, de wetten van planetaire beweging had bewezen, besloot hij alle feiten op een rijtje te zetten. Van 1685 af werkte hij hier koortsachtig aan en controleerde hij zijn berekeningen met de nieuwste sterrenkundige metingen.

De Principia verenigt de aardse mechanica van Galilei met de hemelse mechanica die empirisch was afgeleid uit de waarnemingen van Kepler. Newtons eerdere werk over de wet van Bouguer-Lambert Beer verwees alleen naar de centrifugale kracht die een planeet in zijn baan om de zon ondervindt. In de Principia liet hij zien hoe deze in evenwicht moet worden gebracht door een aantrekkende zwaartekracht, ofwel 'gravitatie', die (op afstand) werkzaam is tussen de zon en de planeet, en toonde hij aan waarom de beweging van de planeet elliptisch moet zijn.
Newton had uit eigen beweging zijn grote ontdekkingen misschien nooit gepubliceerd. Hij stond argwanend tegenover elke publicatie en was gevoelig voor de geringste kritiek. Alleen de zachte overredingskracht van Edmond Halley kon hem overhalen de drukkers zijn manuscript te geven.
Newton geloofde dat er zeven 'enkelvoudige' kleuren moesten zijn, naar (de onterechte) analogie met de zeven tonen van de toonladder. (78)

  terug naar de Inhoud

27. Verbranding
Joseph Priestley 1733-1804, Carl Wilhelm Scheele 1742-1786, Antoine Laurent Lavoisier 1743-1794
Door Phil Ball
De achttiende eeuw was het hoogtepunt van de 'pneumatische' scheikunde die zich concentreerde op lucht. Eeuwenlang was warmte het belangrijkste hulpmiddel voor chemische transformatie en was het begrijpen van verbranding de belangrijkste zorg van de pneumatische scheikundigen. De meeste grote pneumatische scheikundigen gaven openlijk toe dat ze in 'flogiston' geloofden - het 'principe' van brandbaarheid dat uit brandend materiaal vrijkomt - en niemand deed dat meer dan Joseph Priestley, de Engelse politieke en religieuze non-conformist, die was opgeleid tot presbyteriaans predikant.

De fatale tekortkoming van de flogistontheorie was niet dat deze onjuist was, maar dat ze bijna juist was. Toen Priestley in 1774 zuurstof waarnam, interpreteerde hij dat als 'gedeflogisticeerde lucht': lucht die flogiston behoefde en stoffen die rijk waren aan dit 'brandbaarheidsprincipe' helderder liet branden. Het daaropvolgende jaar bestudeerde Priestley het effect van zuurstof op de ademhaling en merkte dat zijn ademhaling 'eigenaardig licht en gemakkelijk' was.
Zijn methode van zuurstof maken - door verhitting van kwikoxide - was niet nieuw. De Zweedse apotheker Carl Wilhelm Scheele had een paar jaar eerder hetzelfde experiment gedaan en had ook uit verschillende andere zouten zuurstof verkregen. Scheele noemde zijn gas 'vuurlucht' en concludeerde zelfs dat gewone lucht uit een deel 'vuurlucht' en vier delen 'gebruikte lucht' (niet-reactieve stikstof) bestond.

Maar het is uiteindelijk de Franse scheikundige Antoine Laurent Lavoisier die als de ontdekker van zuurstof wordt beschouwd. In 1777 gaf hij het gas zijn naam oxygène, wat 'zuurvormer' betekent, omdat hij (ten onrechte) geloofde dat dit het basisbestanddeel van alle zuren was. Hij ging verder dan Priestley en toonde aan dat het gas dat door kwikoxide wordt afgegeven in gelijke mate door kwik wordt opgenomen als het in de lucht wordt verhit. En hij had geen 'gedeflogisticeerde lucht' meer nodig. Zijn 'zuivere lucht' was een stof op zich.
Lavoisiers zuurstoftheorie van verbranding, die in Frankrijk enthousiast werd ontvangen, maar in Engeland (door nationalisme geleid) in eerste instantie verworpen, gaf de scheikunde het 'verenigende principe' dat deze nodig had.
Lavoisier trouwde met Marie-Anne Pierrette Paulze; zij werd zijn persoonlijk assistente, vertaalde belangrijke verhandelingen van Priestley en Cavendish en maakte illustraties van chemische apparaten voor Lavoisiers handboek. (94)

  terug naar de Inhoud

28. Het golfkarakter van licht - Thomas Young 1773 - 1829
Door Peter Tallack
De eigenschappen van licht vormden een onderwerp dat natuurwetenschappers al eeuwenlang had beziggehouden. In 1675 stelde Isaac Newton in een lezing voor de Royal Society dat licht een stroom van minuscule deeltjes was. Zijn rivaal Christiaan Huygens trok zijn 'corpusculaire' theorie in twijfel en pleitte voor een visie op licht die was gebaseerd op golven die zich voortbewegen door een overal aanwezig medium, ether genaamd. Hij schreef zijn Treatise on Light in 1678, maar hij aarzelde en het boek werd pas in 1690 gepubliceerd.
Ondertussen ging de corpusculaire theorie overheersen, hoofdzakelijk door het gezag van Newton. Roncl 1800 begon de Engelse geleerde Thomas Young een reeks experimenten die de golftheorie van Huygens nieuw leven inbliezen. Young projecteerde door twee smalle spleetjes licht op een scherm. Op het scherm vormde het licht een streepjespatroon van licht en donker, wat hij toeschreef aan interferentie: lichte plekken verschijnen waar de toppen van de golven die zich vanuit de twee spleetjes verspreiden elkaar versterken; donkere plekken verschijnen waar de top van de ene golf door het dal van de andere wordt geneutraliseerd. Omdat dit patroon niet gemakkelijk verklaard kon worden aan de hand van Newtons deeltjes, bewees dit experiment dat licht zich gedraagt als een golf.

De steun voor het golfkarakter van licht groeide in het begin van de negentiende eeuw en het werd uiteindelijk een onderdeel van James Clerk Maxwells theorie over elektromagnetische straling. Helaas toonde de kwantummechanica van het begin van de twintigste eeuw aan dat die maar de helft van het verhaal vertelde. In de verklaring van Albert Einstein van het foto-elektrische effect in 1905 gedroeg licht zich als een stroom van deeltjes of fotonen. Bovendien gedragen elektronen, die voorheen als deeltjes werden beschouwd, zich soms als golven.
We blijken beide modellen nodig te hebben. Zoals Sir William Bragg in de jaren 1920 schamper opmerkte: "Op maandag, woensdag en vrijdag gedraagt licht zich als een golf, op dinsdag, donderdag en zaterdag als een deeltje en op Zondag als helemaal niets. (118)

  terug naar de Inhoud

29. Atoomtheorie van John Dalton 1766 - 1844
Door Jacqueline Reynolds en Charles Tanford
Het concept van materie als een verzameling ondeelbare deeltjes die 'atomen' worden genoemd, werd waarschijnlijk in de vijfde eeuw v.Chr. in Griekenland door Democritus in het leven geroepen, maar het werd pas in de negentiende eeuw algemeen geaccepteercl. Zelfs in 1900 vochten uitmuntencle wetenschappers het bestaan van deze onzichtbare deeltjes nog smalend aan: "Wie heeft er ooit een gezien?", vroeg de Duitse natuurkundige Ernst Mach voortdurend.
John Dalton hoefde geen atoom te zien om het bestaan ervan af te kunnen leiden en stelde in plaats daarvan een paar eenvoudige vragen. Waarom bevat water altijd dezelfde verhouding waterstof en zuurstof? Waarom zijn de proporties zuurstof en koolstof als we koolzuurgas maken altijd dezelfde? Zijn antwoord op deze vragen kwam in 1808 toen hij het eerste deel van A New System of Chemical Philosophy publiceerde.
Atomen (de elementen - koolstof, waterstof, zuurstof, enzovoort) worden voorgesteld als minuscule (onzichtbare) bolvormige lichaampjes met een vaste massa. Elk chemisch element heeft zijn eigen soort atoom en atomen verbinden zich in bepaalde verhoudingen en vormen dan moleculen (die Dalton samengestelde atomen noemde). Dit was de begripsrevolutie die het model tot stand heeft gebracht, dat scheikundigen sindsdien gebruiken.

Daltons wereld lag rond de Engelse industriestad Manchester, waar hij wiskunde en natuur- wetenschappen doceerde in wat later de Universiteit van Manchester werd. Hij was een man van het platteland en zei over Londen - tijdens een van zijn weinige bezoeken aan de stad - dat "het een verbazingwekkende stad is en de moeite waard om een keer te zien, maar de onaangenaamste plek ter werelcl voor iemand met een bedachtzame aard." Toch gingen zijn ideeën over de atomaire natuur van de materie over de nationale grenzen heen en effenden de weg voor de grote ontdekkingen van de twintigste eeuw. (124)

  terug naar de Inhoud

30. Het elektromagnetisme
Hans Christian Oersted 1777 - 1851, André Marie Ampère 1775 - 1836, Michael Faraday 1791 - 1867
Door Frank James
Op 21 juli 1820 publiceerde de Deense natuurkundige Hans Christian Oersted een artikel van zes bladzijden over zijn ontdekking van het elektromagnetisme. Tijdens een college voor een groep studenten had hij opgemerkt dat een kompasnaald afbuigt in de buurt van een draad waar elektrische stroom doorheen stroomt. Dit was de eerste verbinding van de fundamentele krachten van de natuur - een belangrijk doel van de natuurfilosofie van de negentiende eeuw. Het artikel werd snel in verschillende Europese talen vertaald en leidde onderzoekers onmiddellijk in nieuwe richtingen.
In Parijs opperde André Marie Ampère dat alle elektromagnetische verschijnselen verklaard konden worden in termen van elektrische krachten met een lage frequentie die in een rechte lijn lopen, dit in overeenstemming met newtoniaanse begrippen.

In Londen toonde Michael Faraday, chemisch assistent aan de Royal Institution, aan dat een stroomvoerende draad rond een magneet kon draaien (of vice versa). Zo kon de eerste elektrische motor worden gemaakt. En wat nog belangrijker is, hij stelde dat de cirkelvormige beweging niet door de theorie van Ampère kon worden verklaard. In 1822 maakte hij een notitie in zijn dagboek: "Zet magnetisme in elektriciteit om!" Maar pas op 29 augustus 1831 deed Faraday dit. Hij was nu directeur van het laboratorium. Hij plaatste twee spoelen aan beide zijden van een zachte ijzeren ring. Toen een stroom door de ene spoel ging, werd de ring gemagnetiseerd en wekte meteen een stroom op in de andere spoel. Dit was in feite de eerste elektrische transformator.
Binnen zes weken had Faraday ook de dynamo uitgevonden. Hierbij wordt een permanente magneet door een spoel heen en weer bewogen, zodat in de draad elektrische stroom wordt opgewekt. Tot op de dag van vandaag is de opwekking van elektriciteit, ongeacht de primaire bron van energie, op dit principe gebaseerd.
Zonder officiële opleiding en onbekend met wiskunde, legde Faraday in zijn laboratorium van de Royal Institution de basis voor het elektromagnetisme. (134)

  terug naar de Inhoud

31. De zonnevlekkencyclus - Heinrich Samuel Schwabe 1789 - 1875
Door David Hughes
Waarnemingen met de telescoop door Galileo Galilei en Johannes Fabricius rond 1610 hadden aangetoond, dat zonnevlekken verschijnselen van het zonneoppervlak waren en geen manen in een lage baan rond de zon of storende wolken in de aardatmosfeer. Pas in 1843 werd ontdekt dat de gevlekte verschijning van de zon na verloop van tijd veranderde.
Heinrich Schwabe, apotheker in Dessau, Duitsland, was gefascineerd door de sterrenkunde. Hij wilde naast zijn professionele apotheek ook graag sterrenkundig onderzoek doen en besloot zich te concentreren op een tak van de astronomie waarmee hij zich overdag kon bezighouden. Zijn eerste gedachte was dat hij bij zijn waarnemingen van de zon een nieuwe planeet binnen de baan van Mercurius zou kunnen vinden tijdens een van haar overgangen over de zonneschijf!
Schwabe zag de zonnevlekken door zijn kleine 5-centimeter telescoop. Al snel maakte hij elke dag een telling. Van 1825 af hield hij de zon nauwlettend in de gaten. Nadat hij zijn bevindingen zorgvuldig had geverifieerd, maakte hij in 1843 bekend dat het aantal vlekken op de zonneschijf met een periodiciteit van tien jaar toeneemt en afneemt. In 1851 had de Zwitserse sterrenkundige Rudolf Wolf rneer gegevens verzameld en een nauwkeuriger periode van 11,1 jaar berekend. Al snel werd ontdekt dat de periodiciteit van de zonnevlekken weerspiegeld werd in de periodiciteit van magnetische stormen en lichtverschijnselen (poollicht) in de atmosfeer van de aarde. Sommige sterrenkundigen verrnoedden zelfs dat ze de periodiciteit in de weersomstandigheden en het groeitempo van planten en dieren konden aantonen.

In 1858 meldde de rijke Engelse amateursterrenkundige R.C. Carrington dat de heliografische breedte van de vlekken tijdens de cyclus veranderde. Ze begonnen op ongeveer 40 graden en bewogen vervolgens langzaarn naar de evenaar van dc zon. Zonnevlekken toonden ook aan dat de equatoriale gebieden van de zon sneller draaiden dan de polen. Dit leidde in 1961 tot het idee dat de lijnen van het equatoriale magetische veld van de zon zo snel worden voortgetrokken dat ze magnetische 'buizen' vorrnen die naar boven drijven, door het oppervlak van de zon heen breken en vlekken veroorzaken.
Zonnevlekken hebben allernaal een donkere kern of umbra omgeven door een lichtere penumbra. Uit waarnemingen blijkt dat ze koeler zijn en lager liggen dan hun omgeving. (158)

  terug naar de Inhoud

32. De wetten van de thermodynamica
Benjamin Thompson, graaf Rumford 1853 - 1914, Sadi Carnot 1796 - 1852
James Prescott Joule 1819 - 1889, Rudolf Clausius 1822 - 1888
Door David Goodstein
De eerste hoofdwet van de thermodynamica houdt in dat arbeid en warmte allebei middelen zijn om energie van de ene plek naar de andere over te brengen. Het maakt niet uit hoe die wordt overgebracht, want de totale hoeveelheid energie verandert nooit. In het begin van de negentiende eeuw dacht men dat warmte een vloeistof was, 'warmtestof' genoemd, die van een warm lichaam naar een kouder lichaam kon stromen zonder te worden aangemaakt of afgebroken.
Veel waarnemers betwijfelden de theorie van warmtestof, onder wie graaf Rumford, die opmerkte dat het boren van de loop van een kanon een enorme hoeveelheid warmte produceerde. Maar de ontdekking van de eerste wet wordt toegeschreven aan de Britse natuurwetenschapper James Prescott Joule, die in 1847 nauwkeurig mat hoeveel warmte door een bekende hoeveelheid arbeid wordt geproduceerd.
Lang voor Joule werd de tweede hoofdwet van de thermodynamica ontdekt door een jonge Franse militair ingenieur, Sadi Carnot. Naar analogie van het draaien van een waterrad redeneerde hij, dat warmtestof een stoommachine kon laten draaien door er van een hoge temperatuur naar een lage doorheen te lopen. Van belang is dus niet alleen de hoeveelheid warmte, maar ook de hoogte van de temperatuur.

Rudolf Clausius, die in een beroemde verhandeling uit 1850 Carnots werk van de vergetelheid redde, bedacht de term 'entropie' voor de hoeveelheid warmte, gedeeld door haar absolute temperatuur. Warmte op een hoge temperatuur heeft een hoge entropie. Als die warmte eenmaal een lagere temperatuur krijgt, is de entropie ervan toegenomen, of de warmte nu onderweg arbeid heeft verricht of niet.
Clausius vatte de eerste en de tweede hoofdwet als volgt samen: de energie van het heelal is constant en de entropie van het heelal neigt naar een maximum.
Tegenwoordig brengen we entropie in verband met wanorde. Wanneer brandstof wordt verbrand, dan wordt vanuit een georganiseerde chemische vorm in de brandstof energie op een hoge temperatuur omgezet in warmte, die bij omgevingstemperatuur altijd dezelfde hoeveelheid heeft. Dit geeft de hoogst bereikbare entropie. Als dat eenmaal gebeurt, is de entropie van het heelal voorgoed toegenomen. (164)

  terug naar de Inhoud

33. Gemeenschap van cellen - Rudolf Virchow 1821 - 1902
Door Helen Power
Wetensehappers zochten voor biologisehe analyse naar steeds kleinere eenheden. Giovanni Battista Morgagni bewees dat ziekten in speeifieke lichaamsorganen zaten (1761), terwijl Marie Frangois Xavier Biehat de nadruk legde op de centrale rol van de weefsels (1799). Maar ook al waren cellen als zodanig al geïdentifieeerd, het belang ervan werd nog steeds niet erkend. Dit veranderde in 1839 toen Theodor Schwann zijn 'celtheorie' formuleerde. Hij werd geïnspireerd door de Duitse plantkundige Matthias Jakob Schleiden en stelde dat cellen de structurele en functionele bouwstenen van alle planten en dieren zijn. Schwann had ook gelijk met zijn opvatting dat eieren cellen zijn en dat het leven begint als een enkele eel. Maar hij meende ten onrechte dat in de embryonale ontwikkeling en bij bepaalde ziekteverschijnselen, zoals pusvorming, nieuwe cellen konden kristalliseren uit de vloeistof rond de cellen (het 'cytoblastema') het duurde nog tientallen jaren voordat de wetensehap een goed inzicht had in celdeling.

De celtheorie werd enthousiast verbreid door de Duitse patholoog Rudolf Virchow. In zijn klassieke werk Cellularpathologie, gepublieeerd in 1858, benadrukte hij zijn opvatting: 'omnis cellula e cellula' (elke cel komt voort uit een cel). Het concept van cellulaire continuïteit werd in de rest van de negentiende eeuw een basisprincipe van de biologie.
Virchow gebruikte een politieke analogie en beschouwde cellen als levend in een 'cellulaire democratie' of in een 'republiek van de cellen'. Verder stelde hij dat elke ziekte een gevolg is van een verstoring van de normale levensprocessen in de eel. Ook al negeerde deze dynamische visie op de pathologie de ziekten die door externe factoren werden veroorzaakt - Virchow was sceptisch over Pasteurs ziektekiemtheorie - toch was die heel effectief bij het verklaren van kanker. Tumoren werden beschouwd als abnormale cellen die tegen het organisme in opstand komen door zich voortdurend te delen.
Virehow verklaarde ook de verspreiding van kankercellen naar andere organen, waarbij hij gebruik maakte van zijn werk op het gebied van de vorming van bloedstolsels en het losraken daarvan, waarbij ze 'embolie' vormen (een term die hij bedacht). En zijn niet te remmen kankercellen hebben een moderne interpretatie gevonden in termen van de moleculaire biologie. De meeste kankersoorten zijn een kloon van één afvallige cel waarin het genetisehe mechanisme dat de celdeling controleert heeft gefaald.
In Virchows 'cellulaire democratie' zijn cellen sociale klassen en zijn de organen en weefsels hun grondgebied. (174)

  terug naar de Inhoud

34. Darwins 'Over het ontstaan van soorten' - Charles Robert Darwin 1809 - 1852
Door Mark Ridley
Darwins Over het ontrtaan van roorten, een van de belangrijkste boeken aller tijden, bevat twee hoofdtheorieën:
- De eerste houdt in dat alle soorten die op aarde leven door evolutie zijn voortgekomen uit andere, vroeger bestaande soorten. Dit was in tegenspraak met het christelijke dogma, dat elke soort een eigen oorsprong heeft die in zijn vorm onveranderlijk blijft.
- De tweede houdt in dat de evolutie wordt gestuurd door natuurlijke selectie: sommige individuen binnen een populatie hebben meer nakomelingen dan andere; nakomelingen hebben de neiging de kenmerken en eigenschappen van hun ouders te erven; latere generaties bevatten dus meer van het soort individu dat in vorige generaties meer nakomelingen had.
- De individuen die de meeste nakomelingen krijgen, zijn meestal degene die het beste aan de plaatselijke omstandigheden aangepast. Daarom zorgt natuurlijke selectie ervoor dat levende wezens zodanig evolueren dat ze goed zijn aangepast aan het leven.

Zijn conclusie was verontrustend voor een religieuze overtuiging, want aanpassing (of 'ontwerp') aan het leven werd vroeger uitgelegd als bovennatuurlijk, als het werk van God. Bij natuurlijke selectie heeft aanpassing een natuurlijke verklaring. Sommige kenmerken, zoals de staart van een pauw of het gewei van een hert, lijken levende wezens niet te helpen de ontberingen van de omgeving te overleven, maar helpen hen in de strijd om de aandacht van het andere geslacht.
Darwin publiceerde nog een boek waarin hij deze kenmerken verklaarde aan de hand van de theorie van seksuele selectie - een speciaal geval van natuurlijke selectie. Individuen (doorgaans mannetjes) strijden tegen elkaar, veeleer om een beperkt aantal wijfjes dan om beperkte middelen van bestaan. Darwin bedacht natuurlijke selectie kort na 1830 maar wachtte 20 jaar voordat hij de theorie publiceerde - en dan alleen maar omdat een andere Britse natuurwetenschapper, Alfred Russel Wallace zelf een vergelijkbare theorie had ontwikkeld en die aan Darwin had laten zien.
Darwin en Wallace publiceerden de theorie gezamenlijk in 1858, maar evolutie en natuurlijke selectie werden amper opgemerkt tot Darwins 'Over het ontstaan van soorten' een jaar later uitkwam. Er werden rnaar 1250 exemplaren van gedrukt en die waren op de dag waarop het boek uitkwam allemaal uitverkocht.
Over alle ophef die ontstond naar aanleiding van zijn boek zei Darwin: "Ik zie geen goede reden waarom de gegeven zienswijze iemands religieuze gevoelens aantoot zouden moeten geven." (176)

  terug naar de Inhoud

35. Maxwells vergelijkingen - James Clark Maxwell 1831 - 1879
Door Stephen Battersby
De Schotse natuurkundige James Clark Maxwell mengde elektriciteit en magnetisme en verkreeg licht. Van elektrische en magnetische krachten was al bekend dat ze op de een of andere manier verwant waren. In het begin van de negentiende eeuw had Hans Christian Oersted gezien hoe elektrische stroom een kompasnaald deed afbuigen en ontdekte Michael Faraday het tegenovergestelde effect: een bewegende magneet wekt in een draadlus een elektrische stroom op. Faraday dacht dat dit allemaal verklaard kon worden door magnetische en elektrische krachtvelden die zich vanuit magneten en elektrische ladingen verspreiden.
In de periode 1860-1870 gebruikte Maxwell dit idee om een stelsel van vergelijkingen te bedenken dat de twee krachten volledig beschreef en in één krachtveld verenigde: elektromagnetisme. Een oplossing van zijn vergelijkingen is een golf, ontdekte hij. De golf bestaat uit golvende elektromagnetische velden en reist door de lege ruimte met de enorme snelheid van 300 miljoen meter per seconde. Dit was een cadeautje. Al in 1676 had de Deense sterrenkundige Olaus Romer als eerste de snelheid van het licht gemeten. Hij merkte op dat Jupiters maan Io een beetje op haar berekende baan vooruitliep als de aarde dicht bij Jupiter stond en een beetje aehterbleef als we verder weg waren. De verklaring luidde dat het licht enige tijd nodig had om ons te bereiken. Romer kwam tot een snelheid van iets meer dan 200 miljoen meter per seconde en dit werd in latere metingen gecorrigeerd tot ongeveer 300 miljoen.

Voor Maxwell was de conclusie duidelijk: licht was een elektromagnetische golf. Zijn vergelijkingen tonen zelfs aan waarom licht in doorzichtig materiaal zoals water en glas vertraagt. Andere wetenschappers konden het maar moeilijk accepteren. Maar toen ontdekte Heinrich Hertz in 1888 elektromagnetische golven met een veel langere golflengte dan licht. De golven waren door Maxwells theorie voorspeld en we noemen ze nu radiogolven. Radiogolven, microgolven, millimetergolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstraling en gammastraling vormen het hele spectrum en die werden allemaal ontdekt met behulp van Maxwells verenigde elektromagnetisme.
Maxwell gaf een wiskundige vorm aan Faradays intuïtieve ontdekking dat elektriciteit en magnetisme krachtvelden vormen. (186)

  terug naar de Inhoud

36. Mendels erfelijkheidswetten - Gregor Mendel 1822 - 1884
Door Mark Ridley
Kinderen lijken op hun ouders en dit alleen al betekent dat er een of ander biologisch mechanisme van erfelijkheid moet zijn. De basis van onze kennis van dat mechanisme wordt geleverd door een aantal experimentele kruisingen tussen diverse rassen doperwten. De experimenten werden uitgevoerd door de Oostenrijkse monnik Gregor Mendel, in een klooster in Brunn (nu Brno in de Tsjechische Republiek).
Mendel begon met twee erwtenrassen die van elkaar verschilden in een goed waarneembaar kenmerk, zoals de kleur van de bloem (het ene ras had paarse en het andere witte bloemen). Hij kruiste de twee rassen, al het nageslacht was paars. Vervolgens kruiste hij het nageslacht onder elkaar en ontdekte dat de tweede generatie paarse en witte bloemen had in een verhouding van 3 : 1. Hij verklaarde het resultaat met de suggestie dat kleuring wordt geregeld door twee 'factoren'. Een erwten-plant erft een factor van elke ouder. De paarse factor was 'dominant' over de witte factor en alle planten van de eerste generatie waren paars. Maar een kwart van de planten van de tweede generatie erfde twee witte factoren en waren wit.

Mendel publiceerde zijn bevindingen in 1865 in een weinig bekend tijdschrift. We weten nu dat erfelijkheid voor een groot gedeelte wordt geregeld door paren van genen die, net als Mendels factoren, van generatie op generatie worden doorgegeven.Waarom slaagde Mendel erin de erfelijkheid te doorzien terwijl dat anderen niet was gelukt?
Een verklaring is dat hij kwantitatief werkte en een waarschijnlijkheidsberekening gebruikte (om bijvoorbeeld de verhouding 3 : 1 te verklaren). Hij concentreerde zich ook op afzonderlijke kenmerken, zoals de kleur van de bloemen. Anderen hadden eigenschappen als lengte onderzocht, en die was niet zo duidelijk te onderscheiden. Nakomelingen hebben doorgaans een lengte die tussen de lengte van hun ouders in ligt en met deze continu schommelende eigenschap kunnen de erfelijkheidswetten veel moeilijker worden waargenomen. Mendels theorie werd 35 jaar lang niet erkend omdat men dacht dat ze om een paar eigenschappen van erwten gingen en geen algemene erfelijkheidstheorie vormde. In 1900 werkten driebiologen - Hugo de Vries, Karl Correns en Erich Tschermak von Seysenegg - onafhankelijk van elkaar Mendels wetten uit. Later schreven ze alle drie heel eerlijk de ontdekking aan Mendel toe.
Na zijn verkiezing tot abt in 1868, werd Mendel in de eerste plaats overste en pas in de tweede plaats experimentele tuinier. Pas lang na zijn dood werd hij als een echte wetenschapper erkend. (192)

  terug naar de Inhoud

37. Toestandsveranderingen - Johannes Diederik van der Waals 1837 - 1923
Door Phil Ball
Het beschrijven van het gedrag van veel deeltjes, atomen of moleculen in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen of elektronen in metaal - is een kwestie van statistiek. Het idee komt uit een artikel uit de negentiende eeuw dat een 'microscopische' visie - waarin gasdeeltjes bewegen volgens de wetten van Newton - probeerde te verbinden met een 'macroscopische' visie - waarin de relatie tussen druk, temperatuur en volume van een gas wordt beschreven door middel van de empirische 'gaswetten'.
Temperatuur is een maat van kinetische energie - de bewegingsenergie - van gasdeeltjes. Druk is het gevolg van botsingen van de deeltjes met de wanden van het vat waarin ze opgesloten zitten. Kort na 1860 bepaalde James Clerk Maxwell de waarschijnlijkheid dat een willekeurig gekozen deeltje in een gas bij een bepaalde temperatuur een bepaalde snelheid had. Dit geeft de onderliggende natuur van een gas weer waaruit alle andere eigenschappen voortkomen.
In 1872 toonde Ludwig Boltzmann aan dat er een 'waarschijnlijkheidsverdeling' moet optreden als deeltjes willekeurig bewegen. De kinetische theorie veronderstelt dat de gasdeeltjes oneindig klein zijn en dat ze zo ver van elkaar verwijderd blijven dat ze elkaars aanwezigheid nooit zullen voelen. Dit werkt goed bij ijle gassen, maar minder goed bij dichte gassen.

In zijn proefschrift, dat hij in 1873 voltooide, legde de Nederlandse wetenschapper Johannes Diederik van der Waals zich erop toe de theorie te wijzigen, omdat er afwijkingen bleken op te treden. Hij geloofde dat gasdeeltjes een kleine, maar eindige afmeting hadden en dat ze elkaar op korte afstand aantrokken. Hij stelde een eenvoudige 'toestandsvergelijking' op die druk, temperatuur en volume met elkaar in verband bracht. Maar in plaats van te voorspellen dat druk gelijkmatig varieert met volume (of dichtheid), suggereerde de vergelijking dat de enorme massa deeltjes onder een bepaalde 'kritische temperatuur' één van twee stabiele toestanden aanneemt - de een dichter dan de ander. De dichtere toestand komt overeen met een vloeistof en compressie of expansie kan een 'faseverschuiving' van de ene toestand naar de andere veroorzaken: condensatie en verdamping. (198)

  terug naar de Inhoud

38. Ziektekiemtheorie - Louis Pasteur 1822 - 1895
Door Helen Power
Eeuwenlang werd aangenomen dat besmettelijke ziekten het gevolg waren van 'miasma's' (giftige stoffen in de lucht). Hoewel andere mensen al hadden bedacht dat microben ziekteverwekkers waren, werd dat pas in 1878 bewezen door de Franse scheikundige Louis Pasteur.
In een reeks spectaculaire experimenten had hij aangetoond, dat gisting, verrotting en besmetting allemaal het gevolg waren van verontreiniging door levende microben - dat microben de oorzaak en niet het gevolg waren van deze processen. Zijn onderzoek leidde onmiddellijk tot praktische successen: hij redde de Franse zijde-industrie met zijn identificatie van de kleine parasiet die zijderupsen infecteerde, hij stimuleerde de Franse wijnbouw met de introductie van sterilisatie door warmte - 'pasteurisatie' - om verzuring te voorkomen en hij toonde de effectiviteit aan van vaccinaties tegen miltvuur bij dieren en hondsdolheid bij mensen.

Terwijl Pasteur aantoonde dat microben over het algemeen ziekten konden veroorzaken, ontdekte de Duitse plattelandsarts Robert Koch welke specifieke microben welbepaalde ziekten veroorzaakten. Koch ontwikkelde laboratoriumtechnieken, zoals het kweken van culturen en foto-microscopie om de verschillende soorten microben te onderscheiden, en kort na 1880 isoleerde en identificeerde hij de tuberkelbacil en de cholerabacil. Hij stelde ook regels op voor het toeschrijven van een ziekte aan een specifieke microbe: de microbe moet altijd in verband worden gebracht met de ziekte; de microbe moet geïsoleerd worden en in een zuivere cultuur worden gekweekt; en microben van de kweek moeten de ziekte bij proefdieren verwekken en in de besmette weefsels worden teruggevonden.
Deze voorwaarden werden al beschreven door Jacob Henle, maar Koch liet zien hoe dit alles in praktijk kon worden gebracht. Zijn regels worden nu 'de postulaten van Koch' genoemd.

De antiseptische chirurgie breidde de toepassing van Pasteurs ziektekiemtheorie uit. De Engelse chirurgJoseph Lister hoorde van Pasteurs onderzoek aan verrotting en besmetting en leidde daaruit af dat wondontsteking aan bacteriële besmetting te wijten was. In 1867 begon hij zijn instrumenten en verband te reinigen in carbolzuur, een bekend desinfecterend middel. Drie jaar later introduceerde hij een carbolzuurverstuiver. De steriele chirurgie, waarbij ziektekiemen helemaal uit de operatiekamer werden geweerd, volgde snel. (202)

  terug naar de Inhoud

39. Het zenuwstelsel
Camillo Golgi 1842 - 1926, Santiago Ramon y Gajal 1852 - 1934
Door Helen Power
Cellen waren het nieuwste onderzoeksobject in de biologie. Maar nieuwe technieken waren nodig om de elementen van de cel te identificeren en te bewijzen dat individuele cellen versmolten tot een werkend systeem. Verbeteringen in de microscopie waren essentieel, maar de fijne structuur van het leven werd pas onthuld toen er cellulaire kleurtechnieken konden worden gebruikt. De Italiaanse histoloog Camillo Golgi gaf het voorbeeld met zijn introductie van het gebruik van zilverzout.
Onderzoek van de hersenen en het ruggemerg ging vroeger langzaam vooruit omdat de compacte en complexe structuur ervan onderzoekers had afgeschrikt. In 1873 paste Golgi zijn methoden toe op hersenweefsel en ontdekte dat hij er individuele zenuwcellen uit kon halen en hun eigenschappen in ongekende details aan het licht kon brengen, met inbegrip van het cellichaam en een aantal subtiele uitlopers (korte dendrieten en de langere axonen). Hij geloofde dat de fijne eindvertakkingen van axonen versmolten met de vertakkingen van andere axonen en daarmee een continu communicatienetwerk vormden: de 'reticulaire theorie'. Hij stelde ook vast dat de hersenen informatie kregen van de waarnemingszenuwen van het lichaam en die middels de motorische zenuwen overbracht.

De Spaanse arts Santiago Ramon y Cajal verbeterde Golgi's kleurstof van zilvernitraat en gebruikte die om de onderlinge verbinding van zenuwcellen te bestuderen. In 1889 had hij het strikt geregelde patroon van celverbindingen in de grijze materie van de hersenen en het ruggemerg uitgewerkt. Hij stelde voor dat de dendrieten van een zenuwcel informatie krijgen die dan door een axon wordt gestuurd, en veegde de vloer aan met de reticulaire theorie door aan te tonen dat de eindvertakkingen van neurieten niet met delen van andere cellen samensmelten. Zijn waarnemingen ondersteunden de neurontheorie, die inhield dat zenuwcellen onafhankelijke eenheden waren, die met elkaar een communicatieverbinding vormden. Charles Sherrington noemde de ver binding de synapsis (later zou men ontdekken dat er sprake is van een spleet). In 1906 deelden Golgi en Cajal de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde.
Pijnlijk genoeg verdedigde Golgi in zijn voordracht de reticulaire theorie en bekritiseerde hij Cajal. (210)

  terug naar de Inhoud

40. De onbewuste geest - Sigmund Freud 1856 - 1939
Door W.F. Bynum
'Hysterie' als medische diagnose bestaat al sinds de Grieken. In 1895 kwamen Sigmund Freud en Josef Breuer met een nieuwe interpretatie en behandeling. Hun 'Studien über Hysterie' presenteerde de resultaten van hun gezamenlijke pogingen om jonge vrouwen uit de Weense middenklasse, die leden aan een verscheidenheid van fysiologische en psychologische symptomen, te begrijpen en te behandelen. Ze maakten gebruik van de gangbare behandeling met hypnose, maar ze gingen al snel uit elkaar omdat Freud ervan overtuigd raakte dat de oorzaak van hysterie altijd een seksueel trauma (echt of denkbeeldig) uit de jeugd was.
In de loop van zijn eigen psychoanalyse uitgevoerd door middel van een vertrouwelijke briefwisseling met de Berlijnse arts Wilhelm Fliess, onderzocht Freud zijn eigen psychoseksuele ontwikkeling, die de sleutel was tot het begrijpen van alle neurotische ziekten. Die sleutel, uitgewerkt in een reeks publicaties, vooral Die Traumdeutung (1900) en Drei Abhandlungen zur Sexualtheorie, was de rol van seks in een normale en abnormale ontwikkeling.

Freud hield vol dat seks vanaf de vroegste jeugd ons leven bepaalt en dat jongens en meisjes (hier had hij minder succes) een ingewikkeld proces van differentiatie van seksuele identiteit ondergaan, een proces dat permanente sporen in hun volwassen identiteit achterlaat. Zijn concepten van het Oedipuscomplex, het 'onderbewuste' en de drieledige aard van geestelijke structuren ('id', 'ego' en 'superego') werden geleidelijk uitgewerkt door zijn contact met patiënten van wie hij dacht dat ze het best geholpen werden met de techniek van vrije associatie, waarbij de patiënt gewoon vertelde, zonder remmingen, wat in zijn of haar bewustzijn naar boven kwam.
Later lichtte Freud het belang toe van zijn denkbeelden voor de antropologie, religie en geschiedenis. Freud beschouwde zijn methoden altijd eerder als waardevolle instrumenten van psychologisch begrip, dan alleen een middel voor het behandelen van patiënten.
De psychoanalyse heeft een halve eeuw lang de psychiatrie gedomineerd, vooral in de Verenigde Staten. Die invloed is nu afgenomen, maar op populair niveau zijn we nog altijd Freuds kinderen.
"Mijn leven en werk waren gericht op één enkel doel: onderzoeken hoe de geest in elkaar zit en welke krachten mee of tegenwerken." (222)

  terug naar de Inhoud

41. Het elektron - Joseph John Thomson 1856 - 1940
Door Stephen Battersby
Het eerste elementaire deeltje werd in 1897 ontdekt met behulp van een kathodestraalbuis. Deze was favoriet bij de natuurkundigen van de negentiende eeuw. Hij vormt de basis van de meeste beeldbuizen van televisies en is tamelijk eenvoudig. Aan een uiteinde van een luchtledig gepompte glazen buis zit een gloeiendhete metalen elektrode. Wanneer op deze elektrode een hoge spanning wordt gezet, geeft die een soort straling af, die onzichtbaar is tot die botst tegen een fluorescerend materiaal aan het andere uiteinde van de buis waardoor het fluorescerende materiaal opgloeit.
In de kathodestraalbuizen van de negentiende eeuw vormde men zo vaak spookachtige patronen. Tientallen jaren lang hadden natuurkundigen met kathodestralen geëxperimenteerd, maar niemand wist precies wat ze waren. Een gangbare visie was dat het golven in de ether waren - een hypothetische vloeistof waarvan men dacht dat die de ruimte vulde. Thomson hing de tegengestelde visie aan, namelijk dat kathodestralen 'negatief geladen deeltjes waren die met grote snelheid van de kathode werden afgevuurd'. Stukjes materie, met andere woorden.

Thomson wist dat hun baan werd afgebogen door magneten en dat ze een lading achterlieten als ze in een metalen vat werden opgevangen. Door te kijken hoe ze door een magnetisch en elektrisch veld bewogen ontdekte hij dat deze deeltjes allemaal identiek waren, ongeacht door welk metaal ze werden uitgestraald. Ze hadden allemaal dezelfde verhouding tussen elektrische lading en massa. Hij was niet de enige die tot deze bevinding kwam, maar hij verdiepte er zich veel meer in.
Thompson opperde dat zijn 'corpusculi' universele dragers van elektriciteit waren en een basiscomponent van de materie. Thomson dacht dat atomen uit enorme aantallen elektronen zouden kunnen bestaan, omgeven door een wolk van positieve lading. Dit model kende een paar successen, maar werd al losgelaten voordat Ernest Rutherford de atoomkern ontdekte. Dankzij Ernest Rutherford weten we nu dat het elektron niet het enige deeltje is, maar het wordt nog altijd beschouwd als een fundamenteel en alomtegenwoordig deel van de wereld. Elektronen liggen aan de basis van alle chemische bindingen en houden materie bij elkaar. (228)

  terug naar de Inhoud

42. Het kwantum - Max Planck 1858 - 1947, Albert Einstein 1879 - 1955
Door Stephen Battersby
De kwantumtheorie is uit een hete doos gekomen. In 1900 probeerde de Duitse natuurkundige Max Planck te verklaren waarom hete objecten als een kachelpook in kleuren gloeien: van rood tot witheet. Hij wilde niet alleen bij benadering inzicht krijgen in de kleur maar ook in de exacte hoeveelheid licht dat ze bij de verschillende golflengten uitstralen.
Zijn favoriete hete object was een zwarte doos met een klein gat erin. Met de gewone klassieke natuurkunde kon Planck het licht dat uit de doos kwam bijna verklaren - maar niet helemaal. Uit experimenten bleek dat er op lange golflengten iets meer straling was dan Plancks vergelijkingen voorspelden. Om dit te kunnen bevestigen kwam hij tot de conclusie dat hij een vreemde veronderstelling moest doen: dat straling (energie) niet gelijkmatig uit de doos kwam, maar in pakketjes, of 'kwantums'.
Toen Planck zijn idee op 14 december 1900 presenteerde, wist hij niet zeker wat deze energiekwantums betekenden. Maar in 1905 bewees Albert Einstein dat licht echt in brokjes komt - brokjes die we nu fotonen noemen.

Einstein gebruikte zijn idee om te verklaren hoe elektronen door licht uit metalen oppervlakken worden geslagen. Philipp Lenard had in 1902 opgemerkt dat de energie van de elektronen niet afhankelijk was van de helderheid van het licht. Wanneer licht gewoon een gladde klassieke golf was, dan zou helderder licht meer energetische elektronen betekenen. Maar Einstein besefte dat wanneer elk elektron door slechts één foton uit het metaal werd geslagen, het steeds dezelfde slag zou krijgen, hoeveel fotonen er ook in de buurt waren.
Het zou nog vele jaren duren voordat het concept van lichtkwantums geaccepteerd was, maar uiteindelijk veroverde de kwantumtheorie de wereld. Natuurkundigen geloven nu dat alles uit onherleidbare kwantums bestaat - niet alleen energie, maar ook elektrische lading, impuls, spin en zelfs ruimte en tijd. (234)

  terug naar de Inhoud

43. De chaostheorie - Jules Henri Poincaré 1854 - 1912
Door Richard Mankiewicz
Een geloofsartikel van de wetenschappelijke revolutie was dat de wereld een voorspelbare plaats was. Met de correcte wiskundige voorstelling van een natuurkundig systeem, dachten wetenschappers dat ze de toekomst en het verleden in kaart konden brengen. Tegen het einde van de negentiende eeuw werd deze opvatting van het voorspelbare universum ernstig in twijfel getrokken.
Henri Poincaré, hoogleraar mathematische fysica aan de Sorbonne in Parijs, bestudeerde de beweging van een vereenvoudigd zonnestelsel dat alleen uit de zon, de aarde en de maan bestond - het zogenoemde drielichamenprobleem. In 1903 bewees hij dat zelfs dit eenvoudige dynamische stelsel, dat werd beheerst door de zwaartekrachtwetten van Newton, op een ingewikkelde en onvoorspelbare manier functioneerde.

Dat kleine veranderingen in de oorspronkelijke omstandigheden tot enorme verschillen konden leiden, werd de fundamentele gedachte van de chaostheorie. In 1961 ontdekte Edward Lorenz bij toeval in een computermodel van de atmosfeer een wiskundig systeem met chaotisch gedrag. Kleine veranderingen in de oorspronkelijke omstandigheden veroorzaakten heel verschillende en volkomen nutteloze weersvoorspellingen voor de lange termijn - een verschijnsel dat het 'vlindereffect' werd genoemd.
In de periode 1970-1980 breidde Benoit Mandelbrot zijn werk uit tot het gebied van de 'fractale' geometrie. In de klassieke fysica wordt de elliptische baan van een planeet een 'attractor' genoemd, maar in een chaotisch systeem is de vorm van de attractor een fractal en verbindt dus de fractale geometric met chaotische beweging. De computer was het laboratorium en het canvas geworden van een wiskunde, die meer leek op de echte wereld dan alles wat men voorheen had gezien. Het grootste deel van de echte wereld vertoont chaotisch gedrag. Dit betekent niet dat het willekeurig is; het betekent eerder dat de onderliggende patronen veel ingewikkelder zijn dan we altijd hebben vermoed.
De theorieën van fractalen en chaos zijn nu een tak van een breder gebied van complexe systemen, waaronder kunstmatige intelligentie, cellulaire automata en genetische algoritmen. En computersimulaties geven inzicht in zulke ogenschijnlijk verschillende verschijnselen als turbulentie in de lucht en fluctuaties in de beursnoteringen. Chaotische systemen blijven deterministisch, maar zijn ook onvoorspelbaar: we zullen de toekomst pas kennen als we die bereiken. (238)

  terug naar de Inhoud

44. Speciale relativiteit - Albert Einstein 1879 - 1955
Door Stephen Battersby
In 1905 schafte Albert Einstein ruimte en tijd af. Hij combineerde alleen maar twee feiten. Het eerste feit is dat mensen die met een verschillende snelheid bewegen dezelfde natuurwetten tegenkomen - hun experimenten leveren dezelfde resultaten op. Dit is conform onze ervaring. We 'voelen' onze beweging rond de zon niet rechtstreeks en we kunnen met gemak rondlopen in een vliegend vliegtuig. Maar het tweede feit is niet zo aangenaam. Als een voortrazend ruimtevaartuig een laserstraal afvuurt, dan zou je verwachten dat het licht sneller zou gaan dan wanneer het ruimtevaartuig stil staat. Maar dat is niet het geval. De snelheid van het licht blijft dezelfde en het maakt niet uit waar het licht vandaan komt of wie de snelheid opmeet.
Om deze twee feiten te kunnen verklaren, moest Einstein de absolute ruimte en tijd van Newton laten varen. Lengtes en tijden moeten afhankelijk zijn van degene die ze opmeet. De passagiers van het voortrazende ruimtevaartuig lijken op platgedrukte wezens, een verschijnsel dat de Lorentzcontractie wordt genoemd. En ze bewegen onnatuurlijk langzaam, wat tijdsdilatatie wordt genoemd. En toch lijk jij voor hen net zo platgedrukt en langzaam.

Elke beweging is in de speciale relativiteitstheorie relatief; er is geen 'geprefereerd kader'. Tijdsdilatatie en Lorentzcontractie worden extreem bij relatieve snelheden die de lichtsnelheid benaderen - volgens de theorie de ultieme snelheidslimiet. Natuurkundigen zien elke dag de snelle deeltjes in hun versnellers bewegen volgens het recept van relativiteit en sterrenkundigen zien hoe verre sterrenstelsels zich snel van ons verwijderen, bewegend alsof ze worden vertraagd.
Einstein paste de relativiteit toe op het concept 'energie' en ontdekte de beroemde vergelijking E=mc². Het betekent dat in materie energie verborgen is - een enorme hoeveelheid energie gelijk aan de massa van het object maal de lichtsnelheid in het kwadraat. Een kilogram van wat dan ook heeft genoeg energie om honderd miljard ketels te laten koken, of een stad te verwoesten.
Einstein; "Als een man een uur lang bij een mooi meisje is, lijkt het een minuut. Maar zet hem een minuut lang op een hete kachel - en het lijkt langer dan een uur. Dat is relativiteit." (244)

  terug naar de Inhoud

45. Van Newton tot Einstein - Martin Rees
Meer dan twee eeuwen na Newton formuleerde Einstein zijn zwaartekrachttheorie, ook bekend als 'algemene relativiteitstheorie'. Volgens deze theorie volgen planeten in feite het meest rechte pad in een 'ruimtetijd' die is gekromd door de aanwezigheid van de zon. Er wordt wel beweerd dat Einstein de newtoniaanse natuurkunde 'omverwierp', maar dat is niet helemaal juist. Newtons wet beschrijft de bewegingen in het zonnestelsel nog altijd heel nauwkeurig (het bekendst is een lichte afwijking in de baan van Mercurius die door Einsteins theorie werd verklaard) en is geschikt voor het programmeren van de baan van ruimtesondes naar de maan en de planeten.
Einsteins theorie daarentegen behandelt (in tegenstelling tot die van Newton) voorwerpen met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt, de enorm sterke zwaartekracht die deze enorme snelheid kan veroorzaken en het effect van de zwaartekracht op het licht zelf. Nog belangrijker is dat Einstein ons begrip van zwaartekracht heeft vergroot. Voor Newton was het een raadsel waarom alle deeltjes met dezelfde snelheid naar beneden vielen en een identieke baan volgden - waarom zwaartekracht en traagheid voor alle stoffen in precies dezelfde verhouding lagen in tegenstelling tot elektrische krachten waarbij 'lading' en 'massa' niet evenredig zijn) - maar Einstein toonde aan dat dit een natuurlijk gevolg was van het feit dat alle lichamen hetzelfde 'meest rechte' pad nemen in een door massa en energie gekromde ruimtetijd.

De algemene relativiteitstheorie was dus een theoretische doorbraak - vooral opmerkelijk omdat die eerder voortkwam uit Einsteins diepe inzicht dan dat die werd gestimuleerd door een experiment of een specifieke waarneming. Einstein bewees niet dat 'Newton ongelijk had'. Hij overtrof Newtons theorie door die op te nemen in iets wat diepgaander en ruimer toepasbaar was. Het zou eigenlijk beter zijn geweest (en een algemeen misverstand over de culturele implicaties hebben voorkomen) als zijn theorie een andere naam had gekregen: niet de 'relativiteitstheorie' maar de 'invariantietheorie'. Einsteins prestatie was de herleiding van een reeks vergelijkingen tot een theorie, die door elke waarnemer kan worden toegepast en die de opmerkelijke bijzonderheid bevatte dat de lichtsnelheid, gemeten in een 'plaatselijk' experiment, gelijk blijft, hoe de waarnemer ook beweegt.
Ervaring vormt onze intuïtie en ons gezond verstand: we begrijpen de natuurwetten die rechtstreeks op ons inwerken. Newtons wetten zijn op de een of andere manier 'ingebakken' bij apen die zelfverzekerd van boom naar boom slingeren. Maar ver weg in de ruimte liggen gebieden die enorm verschillen van dat van ons. We moeten er ons niet over verbazen dat het gezonde verstand ons bij reusachtige kosmische afstanden of bij hoge snelheden of bij een reusachtige zwaartekracht in de steek laat. Een rationeel wezen dat snel door het heelal kan reizen - beperkt door de fundamentele natuurwetten, maar niet door de huidige technologie - zou zijn inzichten over ruimte en tijd uitbreiden en de kenmerkende en schijnbaar bizarre gevolgen van relativiteit erin opnemen.

De lichtsnelheid blijkt een heel speciale betekenis te hebben: die kan worden benaderd, maar nooit overtroffen. Maar die 'kosmische maximumsnelheid' stelt geen grenzen aan hoe ver je in je leven kunt reizen, omdat klokken langzamer lopen (en de tijd aan boord wordt 'gedilateerd') als een ruimteschip versnelt in de richting van de lichtsnelheid. Maar als je naar een ster zou reizen die honderd lichtjaren verwijderd is en daarna terugkeert, dan zijn er op aarde meer dan tweehonderd jaar voorbijgegaan, hoe jong hij ook nog zou zijn.
Jouw ruimteschip kan niet sneller reizen dan het licht (zoals gemeten door een waarnemer die thuis is gebleven), maar hoe dichter jouw snelheid die van het licht nadert, des te jonger zul je blijven. Deze efffecten druisen tegen de intuïtie in, gewoon omdat onze ervaring beperkt is tot geringe snelheden. Een passagiersvliegtuig vliegt maar met een miljoenste van de lichtsnelheid, niet eens snel genoeg om de tijddilatatie merkbaar te maken. Zelfs voor de meest verstokte luchtreiziger zou het minder dan een miljoenste van een seconde op zijn hele leven uitmaken.
Dit uiterst kleine effect is nu echter gemeten met experimenten met atoomklokken, die tot op een biljoenste van een seconde nauwkeurig zijn en men heeft ontdekt dat het overeenstemt met Einsteins voorspellingen. Een soortgelijke 'tijddilatatie' wordt veroorzaakt door de zwaartekracht: bij een grote massa gaan klokken langzamer lopen. Ook dit is op aarde nauwelijks waarneembaar, want net zoals we gewend zijn aan 'trage' bewegingen, ervaren we ook een 'zwakke' zwaartekracht.

Met deze dilatatie moet echter, samen met de effeeten van de omloopbeweging, rekening worden gehouden bij het programmeren van het verbazingwekkend nauwkeurige Global Positioning Satelite-systeem. Een maat voor de sterkte van de zwaartekracht van een lichaam is de snelheid waarmee een projectiel moet worden afgevuurd om aan de greep ervan te ontsnappen. Een snelheid van 11,2 kilometer per seconde is nodig om te ontsnappen aan de aarde. Deze snelheid is uiterst gering in vergelijking met de lichtsnelheid (300.000 kilometer per seconde), maar stelt raketbouwers voor een enorme uitdaging, omdat ze chemische brandstof moeten gebruiken die maar een miljardste van haar zogeheten 'rustmassa-energie' (Einsteins E = mc2) in effectief vermogen omzet. De ontsnappingssnelheid van de zon is 600 kilometer per seconde - toch nog maar één vijfde van een procent van de lichtsnelheid. (244)

  terug naar de Inhoud

46. De Brownse beweging
Robert Brown 1773 - 1858, Ludwig Eduard Boltzmann 1844 - 1906, Albert Einstein 1879 - l955, Jean Baptiste Perrin 1870 -1942
Door Phill Ball
De meeste wetenschappers namen genoegen met atomisme als een geschikte werkhypothese: de veronderstelling van de fysieke realiteit van objecten die zo klein waren dat men ze niet kon waarnemen, leek een kwestie van vertrouwen. Sommigen geloofden dat energie en niet atomaire materie aan de basis van alle dingen lag. Toch hield de Oostenlijkse natuurkundige Ludwig Boltzmann vol dat warmte niets anders was dan een moleculaire beweging. Om dit beeld van een unieke microscopische wereld te ondersteunen, voerde hij de Brownse beweging aan. Dit verschijnsel en oude raadsel was genoemd naar de plantkundige Robert Brown, die in 1827 opmerkte dat in water gesuspendeerde stuifmeeldeeltjes onder de microscoop grillig bewegen. Tientallen jaren lang werd over de oorzaak daarvan gediscussieerd. Men sprak van vitale krachten en sommige wetenschappers opperden zelfs dat het een soort permanente beweging was die de tweede hoofdwet van de thermodynamica overtrad.

Boltzmann geloofde dat de minuscule deeltjes voortdurencl werden bestookt door moleculen die, hoewel ze te klein waren om zichtbaar te zijn, genoeg vaart hadden om de deeltjes in een nieuwe richting te duwen. Aangezien de moleculaire bewegingen willekeurig waren, veranderden de gesuspendeerde deeltjes onregelmatig en onvoorspelbaar van richting.
In 1905 gebruikte Albert Einstein deze ideeën en stelde een grondige theoretische verklaring op. Hij besefte dat het doelloos was de snelheid van de deeltjes te verklaren, aangezien die bijna niet meetbaar was. In plaats daarvan concludeerde hij, dat de gemiddelde afgelegde afstand vanaf de startpositie met de tijd varieerde. Ofschoon de deeltjes willekeurig van richting veranderen, bewegen ze langzaam door het suspendeermiddel. Hij zag dat dit de oorsprong was van diffusie, het proces van spontane vermenging van vloeistoffen, en toonde aan dat zijn theorie 'een nieuwe methode voor de bepaling van de werkelijke grootte van atomen' leverde.

Onderzoekers namen zijn uitdaging onmiddellijk aan en probeerden de bewegingen van gesuspendeerde deeltjes nauwkeurig te meten. Tegen het einde van 1908 had de Franse scheikundige Jean Perrin bijna alle voorspellingen van Einstein bevestigd en de grootte van een watermolecule berekend. Het atomisme was eindelijk bewezen.
Boltzmanns meningsverschil met de 'energisten' over de realiteit van atomen, kan een van de motieven zijn geweest voor zijn zelfmoord. (254)

  terug naar de Inhoud

47. Burgess Shale - Charles Doolittle Walcott 1850 - 1927
Door Douglas Palmer
De ontdekking door de Amerikaanse paleontoloog Charles Doolittle Walcott van 520 miljoen jaar oude fossielhoudende rotsen hoog in de Canadese Rocky Mountains, opende een van 's werelds beroemdste 'ramen' naar het verre verleden. Deze oude afzettingen van de zeebodem worden de Burgess Shale genoemd en hebben duizenden opvallend goed bewaarde fossielen opgeleverd, waarvan her en der de zachte delen nog steeds intact zijn. Ze geven een duidelijk beeld van het leven in de zeeën van het Cambrium toen de eerste antropoden, de voorouders van ongewervelde dieren als krabben, verschenen en onze verst verwijderde gewervelde voorouders nog maar minuscule visachtige schepsels waren.
De plaats in het Yoho National Park, in de Canadese provincie British Columbia, is nu beschermd als werelderfgoed. Ook al waren in het gebied in 1884 fossielen van trilobieten gevonden, Walcott ontdekte de Burgess Shale op 31 augustus 1909 bij toeval, toen hij van Mount Field naar Wapta Mountain reisde. Hij vond fossielen in een rotsblok en zag onmiddellijk het belang hiervan in. De volgende acht jaar groef hij ongeveer 70.000 exemplaren op en stuurde die naar het Smithsonian Institution in Washington, DC, waar hij werkte.
Door bestuurlijke taken had hij geen tijd om het belang van zijn vondst aan te tonen. De volledige rijkdom ervan werd grotendeels onthuld door het werk van de Britse paleontoloog Harry Whittington, een van zijn promovendi en door Canadese paleontologen. Ook al was de omvang beperkt, de Burgess-waterwereld werd gedomineerd door antropoden (meer dan 20 verschillende soorten zijn bekend), en sponzen, stekelhuidigen, priapuliden, armpotigen, weekdieren en een vreemd zwemmend dier dat Piaia wordt genoemd en een van onze eerste gewervelde voorouders kan zijn.
De variëteit van leven wijst erop dat er zich al een arbeidsverdeling - zoals in moderne mariene ecosystemen - had ontwikkeld. Deze diversiteit en ecologische complexiteit, zo vroeg in de evolutie, trekt de schijnbaar explosieve groei van de complexiteit van het leven op de grens van het Precambrium en Cambrium in twijfel. Het lijkt waarschijnlijker dat een langdurige, eerdere ontwikkeling van meercellige dieren teruggaat tot precambrische tijden. (260)
[In de Edicaria-heuvels in Australië werden later dezelfde fossielen gevonden, vandaar dat hun tijdperk nu het Edicarian wordt genoemd (vroeger Vendiaan).]

  terug naar de Inhoud

48. Genen in de erfelijkheid
Thomas Hunt Morgan 1866 - 1945, Alfred Henry Sturtevant 1891 - 1970, Calvin Bridges 1889 - 1938, Hermann Joseph Muller 1890 - 1967
Door Mark Ridley
Wat is het eigenlijk dat wordt overgedragen van ouders op kinderen en waardoor kinderen zo op hun ouders lijken? Biologen hebben de plek van het erfelijk materiaal geleidelijk vastgesteld - cellen,
vervolgens substructuren in cellen en daarna moleculen. Tegen het einde van de negentiende eeuw leek het waarschijnlijk dat de staafvormige structuren die chromosomen worden genoemd en soms in de celkern zichtbaar zijn, de dragers van erfelijkheid waren. Microscopische waarnemingen onthulden dat chromosomen zich in de cellen van de ouders verdelen en zich in de cellen van de nakomelingen combineren op een manier die bij Mendels erfelijkheidswetten paste.
De volgende stap werd gezet in de 'vliegenkamer' van de Columbia Universiteit in New York. Thomas Hunt Morgan leidde het laboratorium, maar zijn studenten Alfred Sturtevant, Calvin Bridges en Hermann Muller deden ontdekkingen die net zo belangrijk waren als die van Morgan zelf. Ze toonden aan dat erfelijkheid is toe te schrijven aan eenheden, genen genoemd, die op de chromosomen zitten.
Morgans eerste doorbraak kwam in 1910. Hij bewees dat een gemuteerde vorm van het fruitvliegje met witte ogen een abnormaal gen op een bepaald chromosoom had (het X-chromosoom). In 1911 toonde Sturtevant, nog steeds student, aan dat het mogelijk was af te leiden welke chromosomen de genen bevatten, die verantwoordelijk zijn voor een aantal verschillende eigenschappen van het fruitvliegje. Hij gebruikte de resultaten van een enorm aantal kruisingen tussen fruitvliegjes met diverse combinaties van deze eigenschappen. Op deze manier produceerde Sturtevant de eerste 'genenkaart' en sindsdien is veel genetisch onderzoek gericht op het identificeren van genen voor specifieke eigenschappen en die op de chromosomen in kaart te brengen. In 1927 bewees Muller dat genen door bestraling met röntgenstraling konden muteren. Dit maakte het mogelijk meer soorten vliegen te vormen voor genetisch onderzoek en hiermee begon het wetenschappelijke onderzoek naar mutatie. (264)

  terug naar de Inhoud

49. De supergeleiding - Heike Kamerlingh Onnes 1853 - 1926
Door Stephen Battersby
Terwijl de poolonderzoekers Amundsen en Scott een ijzig uiterste van de aarde opzochten, gingen natuurkundigen op zoek naar een nog veel ijziger koude. Het absolute nulpunt is onbereikbaar. We kunnen er wel steeds dichter bij komen, maar we zullen het nooit bereiken. Maar die extreme kou heeft een aantal verrassingen in petto. Heike Kamerlingh Onnes vond de eerste verrassing.
In 1908 was de Nederlandse natuurkundige de eerste die helium vloeibaar maakte door afkoeling tot net 4 graden boven het absolute nulpunt, of -269 graden Celsius. Maar in mei 1911, hetzelfde jaar waarin Amundsen de zuidpool bereikte, zag Kamerlingh Onnes iets heel vreemds. Hij had twee collega's in zijn laboratorium in Leiden aan het experimenteren gezet met koude metalen waarin ze de weerstand tegen elektrische stroom maten. Toen ze een kwikmonster op 4,2 graden boven het absolute nulpunt afkoelden, viel de weerstand plotseling helemaal weg. Dit was verrassend. Als de weerstand nul is, kan een elektrische stroom voor eeuwig door een draadlus lopen. Wat betekende dat?
Kamerlingh Onnes vermoedde al snel dat deze nieuwe toestand van metalen, die hij 'supergeleiding' noemde, iets te maken kon hebben met de nieuwe kwantumtheorie, maar pas in 1957 kwam er een volledige verklaring. John Bardeen, Leon Cooper en Robert Schreiffer ontdekten hoe elektronen zich verbonden en door een gril van de kwantummechanica het metaal eromheen negeerden.

Supergeleiders kunnen enorme hoeveelheden energie sparen, treinen over rails of auto s over het wegdek laten zweven en veel snellere, kleinere computers en elektromotoren produceren - als ze maar niet zo koud waren. De droom is er een te vinden die werkt bij kamertemperatuur of zelfs daarboven. In 1986 ontdekten Georg Bednorz en Alex Muller een keramisch materiaal dat bij -238 graden Celsius supergeleidend was en sindsdien zijn keramische producten gevonden die werken bij temperaturen tot een behaaglijke -100 graden. (266)

  terug naar de Inhoud

50. Het atoommodel - Ernest Rutherford 1871 - 1937, Niels Bohr 1885 - 1962
Door Stephen Battersby
"Alsof je een 40-mm-granaat tegen een papieren zakdoekje afvuurde en die granaat terugkwam en je raakte." Zo beschreef Ernest Rutherford het verschijnsel dat hem tot zijn model van de atoomkern bracht. In 1907 had een van Rutherfords studenten een straal alfadeeltjes op een stukje dunne goudfolie gericht. Alfadeeltjes zijn radioactief en hebben een hoog gewicht en zoals verwacht vlogen de meeste deeltjes door de dunne folie heen. Maar een paar ervan stuiterden meteen terug. Dit sloeg nergens op als de atomen in de folie alleen maar een ordening van lichte elektronen waren die bij elkaar werden gehouden door een diffuse positieve lading, zoals men vroeger geloofde. In plaats daarvan besloot Rutherford dat de positieve lading moet worden vastgehouden door een kern in het midden van elk atoom. Maar dan zouden de meeste alfadeeltjes deze kern helemaal niet hebben, en zouden de paar deeltjes die de pech hadden er een te treffen, terugstuiteren.
Rutherford ontwikkelde het model van het atoom als een kleine dichte kern waar een aantal veel kleinere elektronen omheen draait. Hierdoor veranderde niet alleen ons beeld van het atoom, het bracht de Deense natuurkundige Niels Bohr in 1913 tot een nog radicalere theorie. Hij nam Rutherfords idee over en verbond er de nieuwe kwantumtheorie mee. In Bohrs model draaien elektronen met een welbepaalde vaste energie om de kern heen. Dat verklaarde waarom atomen stabiel zijn - elektronen kunnen niet alle energie verliezen en in de kern vallen; ze mogen alleen hun positie innemen in de zogenoemde grondtoestand.
Deze vaste elektronenbaan verklaarde waarom atomen licht geven in enkelvoudige, heldere kleuren die spectraallijnen worden genoemd: als een elektron van baan verandert, gaat de overtollige energie met een exacte hoeveelheid en dus met een exacte kleur over naar een foton van licht. Het schijnbaar onverklaarbare kwantum heerste dus niet alleen over het vluchtige domein van licht, maar ook over de stoffelijke wereld, de materie waarvan we zijn gemaakt. (272)

  terug naar de Inhoud

51. Neurotransmitters - Henry Hallett Dale 1875 - 1968, George Barger 1878 - 1939, Otto Loewi 1271 - 1961
Door W.F. Bynum
Hoe de neuronen van het zenuwstelsel met elkaar communiceren is lang onduidelijk gebleven. Theorieën die veronderstelden dat er een directe relatie was tussen gedachte en handeling, werden weerlegd door de fysiologen van de negentiende eeuw, die de snelheid van prikkels langs de perifere zenuwen maten.
Een van de raadsels was wat er gebeurde bij de verbindingen tussen de zenuweinden die Charles Sherrington 'synapsen' had genoemd. De meeste wetenschappers leek een elektrisch model waarschijnlijk, maar Henry Dale in Engeland en Otto Loewi in Duitsland zochten naar een chemische verklaring.
Dale werkte samen met de scheikundige George Barger en onderzocht in het lichaam fysiologisch actieve chemische stoffen, waaronder histamine. Ze toonden aan dat het vrijkomen daarvan symptomen van allergie kan veroorzaken. De graanschimmel moederkoren bleek bij voortijdige weeën de samentrekking van de baarmoeder te vertragen. In 1914 isoleerden ze acetylcholine uit preparaten van de moederkorenschimmel en toonden aan dat de stof effecten veroorzaakte, die gelijksoortig waren aan die van de parasympathische zenuwen (een deel van het autonome stelsel dat onafhankelijk van de wil neurologische functies regelt, zoals regulering van de bloeddruk, spijsvertering en zweten).

In een reeks klassieke experimenten rond 1930 bewezen Dale en zijn collega's dat acetylcholine vrijkomt aan de parasympathische zenuwuiteinden (en ook aan de zenuwuiteinden van door de wil gedreven zenuwen). Onafhankelijk hiervan gebruikte Loewi geïsoleerde harten, wel of niet verbonden met hun normale zenuwvoorziening, en toonde aan dat stimulering van de zenuwen stoffen produceert die, wanneer ze werden overgebracht op het ontkoppelde hart, de hartslag konden vertragen of versnellen, afhankelijk van het feit of de sympathische (versnellende) of parasympathische (vertragende) zenuwen werkzaam waren.
Dale en Loewi bewezen het concept van de chemische overdracht van zenuwprikkels door de synapsen, waarvoor ze in 1936 samen de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde kregen. Acetylcholine en noradrenaline waren de twee elementaire neurotransmitters, maar sindsdien zijn er andere ontdekt, waaronder serotonine en dopamine, en natuurlijke opiumachtige stoffen, endorfines genoemd, die een pijnonderdrukkende werking hebben.
In een synaps lopen de zenuwprikkels door de synaptische spleet door het vrijkomen van chemische neurotransmitters van het uiteinde van de zenuwcel. De neutotransmitters worden opgeslagen in pakjes of 'vesiculae'. (274)

  terug naar de Inhoud

52. Algemene relativiteit - Albert Einstein 1879 - 1955
Door Stephen Battersby
Nadat hij de begrippen absolute ruimte en absolute tijd terzijde had geschoven, richtte Einstein zich op het heelal en gaf het ongekende nieuwe vormen. Volgens Newtons zwaartekrachtwet werken krachten onmiddellijk op elke afstand. Maar volgens de speciale relativiteit plant niets zich sneller voort dan licht. Einstein probeerde deze tegenstrijdigheid te doorbreken. Het moment van inspiratie kwam in 1907 toen hij op zijn octrooibureau in Bern was. Hij realiseerde zich dat een mens die valt zijn eigen gewicht niet voelt en daarom moeten versnelling en zwaartekracht op de een of andere manier gelijkwaardig zijn.
Omstreeks 1915 had dit idee geleid tot misschien wel de meest revolutionaire theorie in de geschiedenis van de natuurkunde. In de wereld van de algemene relativiteit zijn ruimte en tijd gekromd. Alle objecten maken een deuk in de homogene uitgebreidheid van de ruimtetijd - de aarde, de Zon, zelfs dit boek. En als ze door dit golvende landschap bewegen, zien we hun pad krommen. Daarom draait de aarde om de Zon.
De theorie voorspelt dat ook licht wordt afgebogen door de zwaartekracht. Toen Arthur Eddington dus in 1919 waarnam dat sterren van hun baan afweken door de zwaartekracht van de zon, verankerde hij daarmee de algemene relativiteit in de geest van wetenschappers en de verbeelding van de mens.

Maar er zijn nog veel schokkender voorspellingen. Als genoeg materie heel dicht op elkaar wordt gedrukt, wordt de ruimte uitgerekt tot het breekpunt. Een oneindig diepe put verschijnt in het tijdruimtecontinuum en de zwaartekracht wordt zo sterk dat niets eruit kan ontsnappen. Dit is een zwart gat. Sterrenkundigen geloven nu dat het heelal bezaald is met deze monsters en dat er een enorm zwart gat in het midden van ons eigen Melkwegstelsel zit.
Nieuwe experimenten zoeken naar andere griezelige effecten. Met enorme ondergrondse detectoren zoekt men naar zwaartekrachtgolven, rimpels in de ruimtetijd, die worden veroorzaakt door rampzalige gebeurtenissen zoals de vorming van een zwart gat. En Gravity Probe B, gelanceerd in april 2004, moet proberen ruimtetijd te zien die wordt meegesleept door de draaiing van de aarde, als stroop om een ronddraaiende lepel. De algemene relativiteit kan zelfs de vorm en de evolutie van het hele heelal beschrijven. Een eenvoudige constante in de vergelijkingen kan verklaren waarom, volgens de laatste metingen, de uitdijing van het heelal lijkt te versnellen.
De zwaartekrachtlens: de zwaartekracht van een enorme cluster buigt het licht van een verder verwijderd sterrenstelsel af en verdeelt het in vijf afzonderlijke beelden. Deze 'gravitatielenswerking' werd door Einstein voorspeld op grond van de algemene relativiteitstheorie. (278)

  terug naar de Inhoud

53. Het neodarwinisme - Mendel en Darwin
Ronald Aylmer Fisher 1890 - 1962, John Burdon Sanderson Haldane 1892 - 1964, Sewall Wright 1889 - 1988
Door Mark Ridley
Nadat Charles Darwin in 1859 zijn theorie over de evolutie door natuurlijke selectie publiceerde, werd de evolutie zelf al snel geaccepteerd, terwijl natuurlijke selectie bijna overal werd verworpen. Natuurlijke selectie leek te veel problemen op te leveren, onder andere omdat het idee steunde op veronderstellingen over de werking van erfelijkheid.
Biologische erfelijkheid was in 1859 nog een mysterie, maar de herontdekking van Mendels erfelijkheidstheorie in 1900 had de problemen van natuurlijke selectie eigenlijk moeten oplossen. In feite deed die dat niet: de eerste volgelingen van Mendel waren allemaal fervente anti-darwinisten. Een moeilijkheid was dat Mendels theorie alleen van toepassing leek te zijn op afzonderlijke eigenschappen, zoals sekse, terwijl evolutie hoofdzakelijk bestaat uit veranderingen in voortdurend variabele eigenschappen, zoals lengte.
Pas na 1910 toonden wiskundig biologen aan dat Mendels theorie alle feiten kon verklaren die sinds Francis Galton over continue eigenschappen bekend waren geworden. Ze konden toen bewijzen dat natuurlijke selectie heel goed kon werken met de erfelijkheid volgens Mendel. Dit werk werd tegen 1920 en in de periode 1920-1930 voornamelijk uitgevoerd door de Britse biologen R.A. Fisher en J.B.S. Haldane en de Amerikaanse bioloog Sewall Wright. Ze waren zo succesvol dat Mendels theorie, achteraf gezien, Darwins theorie van natuurlijke selectie heeft gered.

De combinatie van de theorieën van Mendel en Darwin noemt men over het algemeen neodarwinisme, de synthetische evolutietheorie of de moderne synthese. Na 1930 verspreidde de moderne synthese zich over alle terreinen van de biologie. In 1942 opperde Ernst Mayr, een geëmigreerd Duits bioloog die in de Verenigde Staten werkte, bijvoorbeeld een theorie over het ontstaan van nieuwe soorten. Hij zei dat nieuwe soorten ontstaan wanneer een subpopulatie van een voorouderlijke soort geografisch wordt gescheiden. Deze zal dan anders dan haar voorouders evolueren. Inmiddels zijn er volop bewijzen ter ondersteuning van Mayrs 'geografische' theorie over de vorrning van nieuwe soorten.
Neodarwinistische genetische analyse door William Bates in 1862 bevestigde dat de groeiende gelijkenis tussen een giftige vlindersoort en een niet-giftige soort geleidelijk ontstond, tengevolge van natuurlijke selectie. (282)

  terug naar de Inhoud

54. De golf-deeltjedualiteit
Werner Karl Heisenberg 1901 - 1976, Edwin Schrödinger 1887 - 1961, Louis-Victor de Broglie 1892 - 1987
Door Stephen Battersby
De kwantummechanica ontwrichtte het voorspelbare mechanische heelal en verving het door subtielere mechanismen. Waarom? We weten dat licht zich gedraagt als een golf: het produceert interferentiepatronen, net zoals golfjes op het water. Maar Max Planck en Albert Einstein hadden vastgesteld dat licht in stukjes komt, deeltjes die we fotonen noemen. Hoe kon het dan soms een golf en soms een deeltje zijn? Door deze en andere tegenstrijdigheden van de vroege kwantumtheorie gingen wetenschappers zoeken naar een vollediger beschrijving van de microscopische wereld. Twee van hen hadden succes. Werner Heisenberg staakte zijn pogingen alles te visualiseren. In plaats daarvan bedacht hij in 1925 wiskundige formules die waarneembare gegevens met elkaar in verband brachten. Het jaar daarna sloeg Erwin Schrödinger een andere koers in. Hij gebruikte het idee, geopperd door Louis de Broglie, dat deeltjes net als elektronen ook golven zijn. Schrödingers golfvergelijking beschrijft hoe deze 'deeltjesgolven' bewegen. De twee theorieën bleken een andere manier om over dezelfde vreemde microwereld te spreken.

Volgens de kwantummechanica is alles zowel golf als deeltje en geen van beide. Een kwantumdeeltje kan zich uitspreiden in een waas van onzekerheid, op twee plaatsen tegelijk zijn en zelfs interferentiepatronen met zichzelf vormen. Alleen als je probeert te zien waar het is, krijgt het een speeifieke plaats en kiest daarbij willekeurig uit de beschikbare mogelijkheden. Sommige effecten hebben dus geen oorzaak. Het verval van een instabiele kern kan bijvoorbeeld op elk moment gebeuren - we kunnen alleen de waarschijnlijkheid dat het gebeurt, kennen.
Dit is misschien een griezelige kijk op de wereld, maar hij werkt. Hij verklaart de alledaagse eigenschappen van atomen, atoomkernen en moleculen. Hij ligt aan de basis van supergeleiding, de Bose-Einstein-statistiek, witte dwergen en neutronensterren. Op een dag zullen we kwantumcomputers gebruiken, waarvan de 'bits' tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn en die ongekend snel berekeningen kunnen uitvoeren. (300)

  terug naar de Inhoud

55. Het neutron - James Chadwick 1891 - 1974
Door Stephen Battersby
In de jaren twintig van de twintigste eeuw dachten natuurkundigen dat alles bestond uit slechts twee deeltjes: elektronen en protonen. De heersende theorie was dat in elk atoom lichtgewicht, negatief geladen elektronen rond een kleine zware kern draaiden en dat die kern bestond uit positieve protonen aangevuld met enkele elektronen. In het begin van de jaren dertig kwam de verrassing.
Natuurkundigen ontdekten dat bij het bestralen van het lichte element beryllium met alfastraling een andere vorm van straling wordt afgegeven - een straling die protonen heel goed uit andere elementen kon stoten. In 1932 herhaalde de Engelse natuurkundige James Chadwick in Cambridge deze experimenten en ontdekte dat hij de effecten kon verklaren als de alfadeeltjes andere deeltjes - elk deeltje ongeveer net zo zwaar als een proton, maar zonder elektrische lading - uit de berylliumkernen kon stoten. Deze neutrale deeltjes konden op hun beurt protonen uit andere elementen stoten. Even dacht Chadwick dat zijn 'neutron' geen fundamenteel deeltje was, maar een stevige combinatie van elektron en proton. Maar in 1934 toonden metingen aan dat het neutron daar een beetje te zwaar voor was.

Natuurkundigen moesten met een nieuw bestanddeel van de materie leren leven. Atoomkernen bestaan niet uit protonen en elektronen, maar uit protonen en neutronen. De diverse isotopen (of versies) van een bepaald element met dezelfde chemische eigenschappen maar een ander gewicht, bevatten allemaal hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen.
Deze ontdekking maakte na 1930 de ontzettend snelle ontwikkeling van de kernfysica rmogelijk. Het neutron is de sleutel tot de nucleaire kettingreacties die elektriciteitscentrales aandrijven en atoombommen laten exploderen: neutronen vliegen als granaatscherven uit elke splijtende kern en botsen op andere kernen, waardoor ook die splijten. Tegenwoordig hebben ze ook een minder gewelddadige toepassing als sondes van de structuur van materie. Ten gevolge van hun elektrische neutraliteit worden neutronenbundels niet door de lading rond atomen afgebogen. (312)

  terug naar de Inhoud

56. Antimaterie - Paul Adrien Maurice Dirac1902 - 1984, Carl David Anderson 1905 - 1991
Door Stephen Battersby
Paul Dirac ontdekte de antimaterie. In 1928 zocht hij naar een nieuwe versie van de kwantummechanica omdat Schrödingers golfvergelijking in tegenspraak was met Einsteins speciale relativiteitstheorie. Dirac ontdekte bij toeval een ingewikkelder vergelijking die wel bij de speciale relativiteitstheorie paste - maar ook andere eigenschappen van het elektron aan het licht zou brengen.
Om te beginnen moesten deze deeltjes een eigen rotatie hebben. Gelukkig was de draaibeweging van het elektron net twee jaar eerder ontdekt. De andere implicatie was lastiger. Dirac leidde uit zijn vergelijkingen af dat er een ander soort elektron moest zijn: een deeltje met een positieve in plaats van een negatieve elektrische lading. Toen ontdekte Carl Anderson in l932 dat dit deeltje inderdaad aanwezig was bij botsingen van kosmische straling. Hij noemde het een positron.

Dirac vermoedde dat ook protonen een variant van antimaterie moesten hebben en dit leidde uiteindelijk tot de ontdekking van het antiproton. De meeste deeltjes blijken in werkelijkheid een tegenhanger van antimaterie te hebben. Dirac dacht zelfs dat er sterren en hele zonnestelsels zouden kunnen zijn, die alleen uit antirnaterie bestaan. Maar daarin vergist hij zich waarschijnlijk.
Als een deeltje zijn antideeltje tegenkomt, blijft er alleen energie over. Uit deze energie ontstaan ofwel andere deeltjes, ofwel straling. Sterrenkundigen zouden deze opvallende straling die geproduceerd wordt op de grens tussen materie en antimaterie, zeker kunnen waarnemen. Het heelal bestaat dus om de een of andere reden grotendeels uit materie. Maar er komt wel antimaterie voor op aarde. Positronen worden uitgestraald door een aantal soorten radioactieve atomen. Artsen gebruiken de kenmerkende straling die wordt geproduceerd als de deeltjes elkaar vernietigen bij 'positron emission tomography' of PET-scanning. En natuurkundigen van het CERN, het Europees laboratorium voor hoge-energiefysica in Geneve, maken een iets substantiëlere vorm van antimaterie door positronen en antiprotonen te verbinden tot een paar atomen van antiwaterstofgas. Antiwaterstof zou er precies hetzelfde uit moeten zien als waterstof. Als dat niet het geval blijkt te zijn, hebben we misschien een heel nieuwe natuurkunde nodig waarmee we kunnen verklaren waarom dat zo is. (314)

  terug naar de Inhoud

58. Communicatie tussen bijen - Karl von Frisch 1886 - 1982
Door Phil Gates
De complexiteit van de communicatie tussen bijen en de zintuiglijke waarneming van bijen werd voor het eerst onthuld door de Oostenrijker Karl von Frisch, een van de grondleggers van de ethologie - het wetenschappelijk onderzoek naar het gedrag van dieren. Al in 1919 toonde hij aan dat bijen communiceren met behulp van bewegingen van het lichaam, die al in 1788 waren beschreven door de geestelijke Ernst Spitzner.
In 1945 interpreteerde von Frisch een ingewikkelde serie 'dansbewegingen' die werkbijen gebruiken om informatie naar andere bijen over te brengen. In Uber die 'Sprache' der Bienen, voor het eerst gepubliceerd in 1927, beschreef von Frisch hoe foeragerende honingbijen een 'rondedans' of 'kwispeldans' uitvoeren als ze terugkeren naar de bijenkorf, die op een 8 lijkt. De snelheid en orientering van de dans tegenover de bijenkorf en de zon, gecombineerd met de beweging van het achterlijf, geven vertrekkende werkbijen informatie over de afstand en de richting tot bronnen van stuifmeel en nectar.

Het interpreteren van het gedrag van dieren met alleen de menselijke zintuigen kan eehter een vertekend beeld geven van de zintuiglijke wereld waarin dieren leven. Nergens geldt dat meer dan in het geval van de honingbij. Zijn zintuiglijke vermogens strekken zich ver boven de menselijke ervaring uit. Von Frisch combineerde nauwgezette waarnemingen met uitstekende experimenten - onder meer door bijen te leren om op gekleurde kaarten kunstrnatige voedselbronnen te bezoeken - en kon aantonen dat bijen ultraviolet licht kunnen zien. We weten nu dat ze daarmee in bloemblaadjes patronen kunnen waarnemen die voor de mens onzichtbaar zijn.
Hij onderzocht ook de reuk- en smaakzin van bijen en bewees in 1949 dat ze tijdens hun vlucht de zon als referentiepunt gebruiken, zelfs wanneer het bewolkt is, doordat ze gebruik maken van het patroon van lichtpolarisatie in de lucht. In 1973 deelde Karl von Frisch de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde met twee andere wegbereiders van de ethologie: Niko Tinbergen en Konrad Lorenz. (338)

  terug naar de Inhoud

57. De computer - Alan Mathison Turing 1912 - 1954, John von Neumann 1903 - 1957
Door Richard Mankiewicz
In 1890 bedacht Herman Hollerith, een Amerikaans ingenieur, een elektromechanische machine voor het tabelleren van gegevens voor de Amerikaanse volkstelling. Het ponskaartsysteem van Hollerith was een groot succes en werd de basis voor het produceren van kantoorapparaten en gegevensverwerkende machines. De programmeerbare computer met zijn mechanische onderdelen en elektromechanische relais in de jaren na 1940, toonde aan dat automatische berekening op grote schaal mogelijk was, maar de technologie was te traag voor gebruik in de wetenschap en het leger.
De ontwikkeling van radiobuizen leidde tot volledig elektronische machines. De eerste elektronische, programmeerbare computer voor algemeen gebmik was ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), die door J.W Mauchly en J.P. Eckert werd gebouwd aan de Moore School of Electrical Engineering, van de Universiteit van Pennsylvania. Oorspronkelijk was de computer bedoeld voor de snelle productie van ballistische tabellen voor militairen, maar hij was pas in 1946 klaar.

Drie jaar eerder hadden de Britten Colossus gebouwd, een digitale, programmeerbare, elektronische computer die speciaal was ontworpen voor het ontcijferen van Duitse codes. De theoretische achtergrond van Colossus werd in 1936 berekend door de wiskundige Alan Turing, toen hij aantoonde dat elk probleem mechanisch kan worden opgelost wanneer het kan worden uitgedrukt in de vorm van een eindig aantal handelingen die door de machine kunnen worden uitgevoerd. Turing was promovendus in Princeton en in dat jaar ontmoette hij de andere grondlegger van de computertheorie, John von Neumann. Tijdens de Tweede Wereldoorlog gingen de twee mannen voor de geallieerden samen codes ontcijferen.
Von N eumann hoopte ook dat de ENIAC zou helpen bij de berekeningen die nodig waren om een atoombom te bouwen. Met 18.000 vacuumbuizen kon ENTAC 5000 bewerkingen per seconde afhandelen. Maar programmeren betekende toen nog handmatig schakelaars omzetten en verbindingen maken. Von Neumann zocht een beter model en publiceerde in 1945 een vruchtbaar artikel waarin hij een moderne computer met opgeslagen programma's voor algemeen gebruik beschreef. De besturingseenheid, rekeneenheid, geheugen en in- en uitvoer waren van elkaar gescheiden.
ENIAC werd voorgoed uitgeschakeld op 2 oktober 1955 om 23.45 uur. (340)

  terug naar de Inhoud

59. De fotosynthese - Melvin Calvin 1911 -1997
Door Phil Gates
Enkele historische wetenschappelijke experimenten lijken achteraf gezien zo'n elegante eenvoud te vertonen dat het belang ervan over het hoofd werd gezien. Met zo'n experiment leverde de Amerikaanse scheikundige Melvin Calvin het bewijs van de belangrijkste stappen van koolstofbinding bij fotosynthese. Fotosynthese is het proces dat de voedselketens van alle hogere levensvormen op aarde ondersteunt en ons klimaat in stand houdt door de verwijdering van kooldioxide uit de atmosfeer.
Sinds het werk van Jan Ingenhousz in 1779 weten we dat groene planten in de zon kooldioxide opnemen. Onderzoek in de twee daarop volgende eeuwen identificeerde tal van belangrijke gebeurtenissen in het fotosyntheseproces, waarbij groene planten atmosferische kooldioxide gebruiken bij het maken van complexe, op koolstof gebaseerde moleculen als sucrose en zetmeel, die ze nodig hebben om te groeien. Calvin, zoon van Russische emigranten, onthulde de details van de ingewikkelde biochemische cyclus die kooldioxide omzet in suikers.

Calvins benoeming tot hoofd van het Lawrence Radiation Laboratory aan de Universiteit van Californié in Berkeley in 1946 viel samen met de ontwikkeling van een eenvoudig te verkrijgen bron van de radioactieve isotoop koolstof-l4. Calvin zag meteen in dat die kon worden gebruikt om het lot van koolstofatomen in biochemische reacties in de chloroplast van groene planten te volgen. Hij voedde de groene alg Chlorella in kolven met radioactief koolstof-14 en stopte de reactie vervolgens na verschillende tijdsintervallen van enkele seconden. Toen de intervallen langer werden, verscheen de radioactieve koolstof in een toenemend aantal verbindingen, waardoor Calvin een reeks reacties kon beschrijven. De reacties werden de Calvin-Benson-cyclus genoemd - naar Calvin en zijn collega Andrew Benson.
In 1961 kreeg Calvin voor zijn ontdekkingen de Nobelprijs voor scheikunde. In de laatste jaren van zijn loopbaan was hij er een groot voorstander van om - met behulp van zonne-energie en fotosynthese - aan fossiele brandstoffen milieuvriendelijke plantaardige koolwaterstoffen toe te voegen die door woestijnheesters worden aangemaakt. (344)

  terug naar de Inhoud

60. Aggregatie van slijmzwammen - John Tyler Bonner, geboren 1920
Door Peter Tallack

Dictyostelium discoideum
sporenvorming
Dictyostelium discoideum fascineerde biologen al sinds het begin van de twintigste eeuw. Ook al wordt hij vaak een 'cellulaire slijmzwam' genoernd, het is geen zwam en hij is ook niet altijd slijmachtig. Een betere algemene naam ervoor is een 'sociale amoebe'. En het opmerkelijkst ervan is zijn levenscyclus.
In de eerste fase bestaat het organisme uit afzonderlijke, verspreide amoeben die van verrotte boomstammen leven, bacteriën eten en zoals de rneeste andere eencellige dieren zich voortplanten door middel van celdeling. Maar als ze worden bedreigd of uitgehongerd, kruipen tienduizenden van deze volledig onafhankelijke eencelligen naar aggregatiecentra en vormen daar een doorschijnende 'slak' van ongeveer een millimeter lang.
De slak kruipt naar het licht en ontwikkelt zich dan langzaam in een vruchtlichaam, dat bestaat uit een geleidelijk spitser wordende steel met op het uiteinde een bol met sporen. Die bol is bedekt met een stevig omhulsel van cellulose. De sporen scheiden zich af, de omhulsels barsten open, de afzonderlijke amoeben komen er uit en voltooien de levenscyclus.
Op deze manier verandert een onsamenhangende verzameling van afzonderlijke cellen in een gestructureerd meercellig organisme - een verbazingwekkend voorbeeld van zelforganisatie.

Veel pionierswerk op het gebied van het gedrag van slijmzwammen werd verricht door de Amerikaanse bioloog John Tyler Bonner, die in 1947 de belangrijke rol van het vrijkomen van een chemische boodschapper, cyclisch AMP, tijdens de initiële aggregatie waarnam. Na een paar uur uithongeren beginnen de afzonderlijke amoeben impulsen van dit chemische signaal af te geven, waardoor ze zich in prachtige spiraalvormige en veerachtige patronen groeperen, die uiteindelijk bij elkaar komen en de 'slak' vormen.
Het proces wordt 'chemotaxis' genoemd - de beweging van cellen naar of weg van hogere concentraties van een bepaalde chemische stof in hun omgeving - en is misschien wel de meest primitieve vorm van communicatie tussen cellen.
Hetzelfde mechanisme werkt in veel onderdelen van de natuur en kan zelfs de verborgen factor zijn in de morfogenese, waarbij een bol, niet-gedifferentieerd, bevrucht eitje verandert in een complex, gedifferentieerd dier of mens. (348)

  terug naar de Inhoud

Klik hier voor een vijftal artikelen over de eigenschappen van de amoebe en de slijmzwam.

61. De transistor
William Bradford Shockley 1910 - 1989, Walter Houser Brattain 1902 - 1987, John Bardeen 1908 - 1991
Door Nigel Hey
In de eerste dagen van de radio werden kristallen gebruikt als 'gelijkrichters' waarmee wisselstroom in één richting werd gestuurd. Die waren echter onbetrouwbaar en werden al snel vervangen door elektronenbuizen die een stroom gelijkrichten én versterken. Maar ook die hadden hun nadelen: ze gingen maar korte tijd mee, gebruikten veel stroom en waren heel groot.
In de periode 1930-1940 had John Bardeen in het Bell Telephone Laboratorium in Amerika de eigenschappen van halfgeleiders bestudeerd - kristallijne vaste materialen met een elektrische geleiding tussen metalen (met lage weerstand) en isolatoren (met hoge weerstand). Hij bewees dat oppervlakte-effecten tot gelijkrichting van de stroom konden leiden.
In een poging de overheersende invloed van Bell op de telecommunicatiemarkt na de Tweede Wereldoorlog te continueren ging Bardeen, samen met William Shockley en Walter Brattain, op zoek naar een halfgeleider die de radiobuis kon vervangen. Op 23 december 1947 ontdekten ze dat een germaniumkristal met bepaalde onzuiverheden niet alleen een veel betere gelijkrichter was dan de vroegere kristallen of buizen, maar zich ook als versterker kon gedragen. Omdat het proces werkte door stroom over een weerstand te transformeren, noemden ze het een 'transistor'.
De originele versie - een puntcontacttransistor - vertoonde veel elektrische 'ruis' en kon alleen een lage stroomtoevoer verwerken. Hij werd al snel vervangen door de lagentransistor, die bestaat uit een dun stukje silicium met onzuiverheden, dat diverse gebieden verschillende elektrische eigenschappen verleent. Een 'basisgebied' met veel gaten en een positieve lading, wordt geplaatst tussen 'emitter'en 'collector'-gebieden met veel elektronen en een negatieve lading. Wanneer een klein voltage op de basis wordt gezet, verzamelen overtollige gaten zich bij de verbinding met de collector en gaat stroom van de ene kant van de halfgeleider naar de andere kant.
In tegenstelling tot de oude buizen heeft de transistor maar weinig stroom nodig en kan hij gemakkelijk worden verkleind, omdat hij op moleculair niveau werkt. Tegenwoordig worden miljoenen minuscule transistors geetst op siliciumchips die kleiner zijn dan een vingernagel en voorzien ze heel veel van energie, gaande van hoorapparaten tot supercomputers. (350)

  terug naar de Inhoud

62. De kwantumelektrodynamica
Door Stephen Battersby
Julian Seymour Schwinger geboren 1918, Shin'ichiro Tomonaga 1906 - 1979, Freeman John Dyson geboren 1923, Richard Philips Feynman 1918 - 1988
Gelijke ladingen stoten elkaar af. Breng twee elektronen dicht bij elkaar en ze proberen van elkaar weg te gaan. Waarom? Hoe gebruiken ze deze mysterieuze kracht die we elektriciteit noemen? De theorie van de kwantumelektrodynamica, of QED, beschrijft het proces alsof het vangbal is. De theorie werd tegen 1950 uitgewerkt door Julian Schwinger, Shin'ichiro Tomonaga en Freeman Dyson en door Richard Feynman, die diagrammen bedacht om de interactie van geladen deeltjes aan te tonen.
Het eenvoudigste diagram van Feynman voor twee elektronen laat zien, hoe een van de twee een foton naar het ander afvuurt. Het eerste elektron trekt zich terug en het tweede wordt teruggeslagen als dit het foton opneemt. Als het proces wordt herhaald, worden de twee elektronen uit elkaar geduwd net als twee mensen op rolschaatsen die met een zware bowlingbal vangbal spelen. Maar in dit spel kun je je partner ook naar je toe trekken en daarom kan de theorie ook de aantrekkingskracht van tegengestelde ladingen verklaren.
Het lijkt een vreemde manier om een kracht te beschrijven - en het wordt nog gekker. Het foton dat de kracht meedraagt kan zelf door een van beide elektronen worden aangetrokken of afgestoten, of het kan zich kort omzetten in andere geladen deeltjes die zelf krachtdragende fotonen uitzenden. Volgens de QED kan elke mogelijke complicatie onmiddellijk optreden, maar de ingewikkelder processen dragen relatief weinig bij tot de kracht. Erger nog, QED verlaat zich op een moeilijke wiskundige truc die 'renormalisatie' wordt genoemd.
Maar het werkt. De theorie kan alle uitingen van elektromagnetische kracht met grote nauwkeurigheid behandelen. Het licht dat waterstofatomen uitstralen, heeft bijvoorbeeld precies de golflengte die wordt voorspeld door de kwantumdeeltjes van QED. QED zegt ook dat zelfs de lege ruimte is gevuld met rond vliegende 'virtuele' deeltjes. Maar hier werken de cijfers niet: de theorie voorspelt dat de luchtledige ruimte met deze deeltjes ongelooflijk dik moet zijn waardoor die zo compact wordt, dat het heelal al lang geleden onder zijn eigen zwaartekracht zou zijn ingestort. Er moet iets ontbreken. (352)

  terug naar de Inhoud

63. Springende genen - Barbara McClintock 1902 - 1992
Door Susan Aldridge
Na het behalen van haar doctorstitel in de plantkunde aan de Universiteit van Cornell in Amerika in 1927 ging Barbara McClintock de genetica van rnaïs onderzoeken. In die tijd gebruikten de meeste genetici het fruitvliegje als 'modelorganisme', maar Cornell gaf de voorkeur aan maïs. De kleur van de korrels op een maiskolf is een duidelijke expressie van de genetische erfelijkheid, terwijl de grote chromosomen van de plant die de genen dragen onder de microscoop gemakkelijker te bestuderen zijn. En door de langzame rijping van mais heeft de onderzoeker meer tijd om over een genetisch experiment na te denken.
Tegen 1931 had McClintock aangetoond dat de uitwisseling van genen tijdens de productie van kiemcellen - 'meiose' genoemd - vergezeld gaat van een uitwisseling van chromosoommateriaal. De experimenten worden beschouwd als een mijlpaal in de geschiedenis van de genetica, want ze leggen een verband tussen chromosomen en erfelijkheid.

Maar McClintock is waarschijnlijk beter bekend om haar werk over 'springende genen'. In 1941 ging ze naar het Cold Spring Harbor Laboratory in New York, dat een beroemde verzamelplaats zou worden voor pioniers in de moleculaire biologic. Ze merkte dat er op de bladeren en korrels van haar maisplanten af en toe vreemd gekleurde vlekken verschenen en was benieuwd naar de mechanismen die de genen voor kleur regelen. Ze ontwikkelde het idee dat er mobiele genetische elementen waren die op het chromosoom konden rondspringen. Als ze in een gen sprongen, verstoorden ze de aan- en uitschakeling daarvan. Het genoom - het volledige genetische materiaal in een cel - was veel mobieler dan iedereen ooit had gedacht.
Toen McClintock in 1951 haar werk aan de gemeenschap van genetici presenteerde, stootte ze op onbegrijpende, starende blikken en onverschilligheid - men fluisterde zelfs dat ze een beetje gek was. Maar rond 1970 waren McClintocks mobiele genetische elementen, 'transposons' genoemd, ook in een aantal andere organismen ontdekt. In 1983 werd ze voor haar baanbrekende werk beloond met de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde. (362)

  terug naar de Inhoud

64. Zenuwprikkels - Alan Lloyd Hodgkin 1911 - 1998, Andrew Fielding Huxley geboren 1911
Door Rory Howlett
Informatie wordt langs zenuwvezels overgedragen door elektrische impulsen die 'actiepotentialen' worden genoemd. In 1952 leverden de Engelse fysiologen Alan Hodgkin en Andrew Huxley (kleinzoon van Thomas Henty Huxley, de 'bulldog' van Charles Darwin) een gedetailleerde verklaring van het ontstaan van actiepotentialen en hoe die door de lange zenuwvezels of axonen voortbewegen. Samen met John Eccles kregen Hodgkin en Huxley in 1963 de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde.
Hodgkin en Huxley werkten aan het enorme axon van de pijlinktvis, omdat die door de omvang en toegankelijkheid een geschikt model was om de elektrische en fysiologische veranderingen tijdens een actiepotentiaal te bestuderen. In rust is het membraan van het axon gepolariseerd, zodat de binnenkant in vergelijking met de buitenkant licht negatief is geladen. Een depolarisatie van het membraan laat positief geladen natriumionen door specifieke kanalen in het membraan naar binnen stromen. Een tijdelijk positief feedbackmechanisme opent meer natrium-ionkanalen en dat leidt tot een nog grotere stroom van natriumionen in de cel. Als de depolarisatie toeneemt, beginnen de natrium-ionkanalen zich te sluiten en gaan er andere kanalen open die kaliumionen uit de cel pompen. Uiteindelijk keert het membraan terug in zijn rustpotentiaal.
De kanalen die deze veranderingen overbrengen gaan open en dicht overeenkomstig de spanning door het membraan. Hodgkin en Huxley leidden er vergelijkingen uit af die de snelheid en de sterkte van een actiepotentiaal, als die langs het axon gaat, bijna perfect voorspellen. Hun onderzoek hielp ook te verklaren waarom actiepotentialen zonder verval lange afstanden overbruggen, een eigenschap die essentieel is voor de efficiënte overdracht van inforrnatie in het zenuwstelsel. Hun model is heel algemeen en is niet alleen van toepassing op het enorme axon van de pijlinktvis, maar ook op veel andere soorten prikkelbare cellen en op andere actieve zenuwstructuren zoals dendrieten en synapsen. (366)

  terug naar de Inhoud

65. De REM-slaap
Nathaniel Kleitman 1995 - 1999, Eugene Aserinski 1921-1999, William Charles Dement geboren 1928
Door Peter Tallack
In 1868 observeerde Wilhelm Griesenger bij slapende mensen en dieren trillende oogleden en dacht dat dit op de een of andere manier verband hield met dromen. George T. Ladd beweerde dat we tijdens de diepe droomloze slaap onze ogen naar boven en naar binnen draaien - de 'gunstigste positie voor het uit het bewustzijn verwijderen van alle storende visuele beelden' - maar dat de ogen tijdens levendige visuele dromen 'zachtjes in de oogkas' bewegen en diverse posities innemen die worden 'veroorzaakt door hallucinaties op het netvlies'.
E. Jacobson, schrijver van een populair boek over het 'ABC van een rustige slaap' dat in 1938 verscheen, opperde als eerste dat deze oogbewegingen elektrisch gemeten en fotografisch konden worden vastgelegd. Maar pas in 1953 luidde Nathaniel Kleitman uit Chicago samen met Eugene Aserinski en William Dement voor het bestuderen van dromen het tijdperk van laboratoriumtechnieken in. In een reeks gecontroleerde experimenten ontdekten ze een verband tussen verschillende patronen van elektrische activiteit in de hersenen, karakteristieke snelle oogbewegingen (rapid eye movements - REM) en dromen.

Als mensen wakker werden gemaakt tijdens een periode van REM-slaap waarin hersengolven met een lage spanning en hoge frequentie voorkomen, zeiden ze veel vaker dat ze hadden gedroomd dan op andere momenten. Tijdens deze perioden stegen ademhaling, hartslag en bloeddruk naar het niveau van wakker-zijn. Slapers hebben 's nachts een aantal perioden van REM-slaap die allemaal ongeveer 10 tot 20 minuten duren.
Als ze tijdens deze perioden voortdurend worden gestoord, krijgen ze psychische klachten en stijgt het aantal perioden van REM-slaap tijdens de volgende nachten om de gemiste dromen te compenseren. Zelfs zogenaamde niet-dromers hebben een REM-slaap, net als die van de dromers - Aristoteles stelde als eerste dat slapers altijd dromen, terwijl niet-dromers gewoon een slechte droomherinnering hadden.
Het feit dat alle dieren en vogels het doen - zelfs de foetus in de baarmoeder - bewijst dat droomslaap een belangrijke evolutionaire rol moet hebben, hoewel men nog niet weet wat die rol precies is.
Francis Crick en Graeme Mitchison beweerden dat dromen ongewensre associaties en geheugensporen uitwissen. (372)

  terug naar de Inhoud

66. De dubbele helix
Door Mark Ridley
Francis Harry Crompton Crick 1916 - 2004, James Dewey Watson geboren 1928
Desoxyribonucleinezuur (DNA) is het belangrijkste molecuul van onze tijd. Dat dit zo is, vindt zijn oorsprong in een belangrijke ontdekking: de structuur of vorm van het DNA. Kennis van de structuur van een molecuul betekent niet altijd dat men ook weet hoe dat werkt, maar in het geval van het DNA was dat wel zo. De jonge Amerikaan James Watson ging in 1951 naar Cambridge in Engeland en begon samen met Francis Crick, een Britse promovendus, te werken aan de structuur van DNA. Het was een geweldig onderzoeksobject omdat nog niet zo lang geleden was aangetoond dat DNA het molecuul van de biologische erfelijkheid is. Watson en Crick leidden de structuur van het DNA af met één chemische aanwijzing en de methode van röntgendiffractie. DNA is te klein om de structuur ervan rechtstreeks te kunnen waarnemen.
Röntgendiffractie is een indirecte methode voor het bepalen van de structuur van hele kleine eenheden. De chemische aanwijzing kwam van een regel die Erwin Chargaff had ontdekt. DNA bevat vier subeenheden gesymboliseerd door de letters A, C, G en T. Chargaff ontdekte dat de hoeveelheid C gelijk is aan de hoeveelheid G en dat de hoeveelheid A gelijk is aan de hoeveelheid T. Hieruit concludeerden Watson en Crick dat DNA twee ketens heeft, met G in de ene keten verbonden met C in de andere en A verbonden met T. Röntgendiffractie toonde aan dat de ketens spiraalvormig waren: het DNA is een dubbele helix.
De structuur die Watson en Crick in 1953 in het wetenschappelijk tijdschrift Nature publiceerden, liet onmiddelijk zien dat het molecuul kon worden gereproduceerd (maak de ketens los en een keten is vervolgens het origineel waarmee een nieuwe keten kan worden gemaakt) en dat het molecuul biologische informatie kon bevatten (de volgorde weergegeven door de letters A, C, G en T is een code). In de jaren daarna kraakten biologen deze 'code' en bereidden zo de weg voor de moderne moleculaire genetica. (374)

  terug naar de Inhoud

67. De digitale snelweg - Richard Dawkins
Ons genetische stelsel, het universele stelsel van alle leven op aarde, is door en door digitaal. Met woordelijke nauwkeurigheid kun je het hele Nieuwe Testament coderen in die delen van het menselijk genoom die nu zijn gevuld met 'junk'-DNA - dat wil zeggen DNA dat door het lichaam niet op de normale manier wordt gebruikt. Elke cel in ons lichaam bevat het equivalent van 46 reusachtige magneetbanden die digitale tekens opdreunen middels ontelbare leeskoppen die gelijktijdig werken. In elke cel bevatten deze banden - de chromosomen - dezelfde informatie, maar de leeskoppen in verschillende soorten cellen zoeken verschillende delen van de database op voor hun eigen specialistische doeleinden. Daardoor zijn spiercellen anders dan levercellen.

Er bestaat geen levenskracht, geen bonzende, hijgende, ontkiemende, protoplastische, mysterieuze gelei. Het leven bestaat alleen maar uit bytes en bytes en nog eens bytes met digitale informatie. Genen zijn puur informatie - informatie die kan worden gecodeerd, opnieuw gecodeerd en gedecodeerd zonder dat die onduidelijk wordt of van betekenis verandert. Pure informatie kan worden gekopieerd en omdat dit digitale informatie betreft, is het kopiëren heel nauwkeurig. DNA-tekens worden gekopieerd met een nauwkeurigheid die alles wat moderne ingenieurs tot stand hebben gebracht, naar de kroon steekt. Ze worden door de generaties heen gekopieerd met net genoeg incidentele fouten om variatie te garanderen. In deze informatie zullen de talrijker wordende gecodeerde combinaties automatisch de combinaties zijn die, wanneer ze worden gedecodeerd en opgenomen door het lichaam, dat lichaam actief stappen laten ondernemen om deze DNA-boodschappen te bewaren en door gegeven. Wij - en dat betekent alle levende wezens - zijn overlevingsmachines en geprogrammeerd om de digitale database die de programmering uitvoerde, door te geven.

Het darwinisme wordt nu beschouwd als het overleven van de overlevenden op het niveau van een zuivere, digitale code. Achteraf gezien kon het niet anders geweest zijn. We konden ons een analoog genetisch systeem voorstellen. Maar we hebben al gezien wat er gebeurt met analoge informatie als die door opeenvolgende generaties steeds opnieuw wordt gekopieerd. Het worden wilde geruchten. Krachtigere telefoonsystemen, opnieuw gekopieerde tapes, fotokopieën van fotokopieën - analoge signalen zijn zo kwetsbaar voor opeenvolgende onduidelijkheden dat kopieën slechts tijdens een aantal generaties kunnen worden gemaakt. Genen kunnen zichzelf daarentegen tien miljoen generaties lang kopiëren en gaan bijna niet achteruit.
Het darwinisme werkt alleen omdat het kopieerproces volmaakt is - op een paar mutaties na die door natuurlijke selectie worden verwijderd of bewaard. Alleen een digitaal genetisch systeem kon het darwinisme gedurende miljarden jaren geologische tijd in stand houden. 1953, het jaar van de dubbele helix, zal niet alleen als het einde van mystieke en duistere denkbeelden over het leven worden beschouwd. Darwinisten beschouwen 1953 als het jaar waarin hun onderwerp eindelijk digitaal werd.

De snelweg van de pure digitale informatie, die majestueus door de geologische tijd loopt en drie miljard zijwegen kent, is een krachtig beeld. Maar waar zijn de bekende eigenschappen van het leven? Waar zijn lichamen, handen en voeten, ogen en hersenen en snorharen, bladeren en boomstammen en wortels? Waar zijn wij en onze lichaamsdelen? Zijn - mensen, dieren, planten, protozoa, schimmels en bacteriën - alleen maar de steegjes van de digitale informatiesnelweg? In zekere zin ja. Maar er is meer aan de hand, zoals ik al heb laten doorschemeren. Genen maken niet alleen kopieën van zichzelf die naar de volgende generaties stromen. Ze zitten ook echt in het lichaam en ze beïnvloeden de vorm en het gedrag van de achtereenvolgende lichamen waarin ze zich bevinden.
Ook de lichamen zijn belangrijk. Het lichaam van een ijsbeer bijvoorbeeld bestaat niet alleen maar uit een paar weggetjes voor een digitaal stroompje. Het is ook een machine van een beerachtige complexiteit. Alle genen van de hele populatie ijsberen vormen een gemeenschap - goede maatjes, ze nemen elkaar mee door de tijd. Maar ze zijn niet de hele tijd in het gezelschap van alle andere leden van de gemeenschap: ze wisselen binnen de gemeenschap van partner.

De gemeenschap wordt gedefinieerd als de verzameling genen die mogelijk andere genen in de gemeenschap kunnen ontmoeten (maar geen lid van een van de dertien miljoen andere gemeenschappen op aarde). De feitelijke ontmoetingen vinden altijd plaats in een cel in het lichaam van een ijsbeer. En dat lichaam is geen passieve vergaarbak van DNA. Om te beginnen prikkelt het totale aantal cellen, die allemaal een complete set genen hebben, de verbeelding: ongeveer negenhonderd miljard voor een grote mannetjesbeer. Als je alle cellen van een ijsbeer op een rij legt, dan zou de rij gemakkelijk de afstand van hier naar de maan en terug overbruggen.
Deze cellen bestaan uit een paar honderd verschillende soorten en dat is in feite bij alle dieren gelijk: spiercellen, zenuwcellen, botcellen, huidcellen enzovoort. De cellen van deze verschillende soorten komen bij elkaar en vormen weefsel: spierweefsel, botweefsel enzovoort. Alle verschillende soorten cellen bevatten de genetische instructies om hun soort te maken. Alleen de genen die het betreffende weefsel kunnen maken, worden ingeschakeld. Daarom hebben de cellen van de verschillende weefsels een andere vorm en grootte.
Het interessantst is dat de genen die in een bepaald soort cellen zijn ingeschakeld, ervoor zorgen dat die cellen hun weefsel in een bepaalde vorm laten groeien. Botten zijn geen vormeloze massa's hard en star weefsel. Botten hebben een bepaalde vorm met holle schachten, bollen en gewrichtsholtes, uitsteeksels en uitlopers. Cellen worden geprogrammeerd door de genen die zijn ingeschakeld en gedragen zich alsof ze weten waar ze tegenover hun buurcellen staan. Zodoende ontwikkelen ze hun weefsel in de vorm van oorlelletjes en hartkleppen, ooglenzen en sluitspieren. (376)

  terug naar de Inhoud

68. Het linkshandige heelal - Tsung Dao Lee geboren 1926, Chen Ning Yang geboren 1922
Door Stephen Battersby
Waarom kunnen we de natuur generaliseren? Omdat sommige dingen niet belangrijk zijn. Je kunt bepaalde zaken zoals plaats of richting vaak veranderen en voorwerpen gedragen zich dan nog steeds op dezelfde manier - als jouw auto dus een uur lang met 170 kilometer per uur naar het noorden kan rijden, verwacht je dat hij met dezelfde snelheid ook naar het oosten kan rijden. Op dezelfde manier lijkt het heel normaal dat de wereld spiegelsymmetrisch is: als je een munt met de wijzers van de klok mee kunt laten ronddraaien, moet het ook mogelijk zijn die tegen de wijzers van de klok in te laten ronddraaien.

En toch is er een punt waarop de spiegel breekt. Tsung Dao Lee en Chen Ning Yang realiseerden zich in 1956 dat het er bij sommige reacties tussen subatomaire deeltjes op leek alsof een van de krachten van de natuur, de zwakke kernkracht (verantwoordelijk voor het verval van neutronen), de spiegelsymmetrie verstoort. Experimenten toonden al snel aan dat ze gelijk hadden. Neutronen kunnen spontaan vervallen in series van drie deeltjes: een proton, een elektron en een neutrino. Als dit gebeurt, is het neutrino altijd linkshandig. Het draait rond zijn as tegen de wijzers van de klok in. Verrast begonnen natuurkundigen andere symmetrieën van de natuur te onderzoeken. Ze ontdekten weldra dat de zwakke nucleaire kracht nog een oude regel overtreedt - ze beïnvloedt materie en antimaterie op een licht verschillende manier. Dit had men niet verwacht, maar het kon heel belangrijk zijn. Zonder een natuurlijke afwijking tussen materie en antimaterie zouden wij hier niet zijn. Lang geleden zou alle materie in het heelal alle antimaterie hebben ontmoet en geëxplodeerd zijn in een regen van straling. Maar als het waarschijnlijker was dat de materie in de heksenketel van de oerknal uit de voortdurende botsing van subatomaire deeltjes was ontstaan, dan moest er iets overgebleven zijn nadat alle antimaterie was opgebruikt. Deze restjes zijn wij. (380)

  terug naar de Inhoud

69. Het taalinstinct - Noam Chomsky geboren 1928
Door Steve Blinkhorn
De Amerikaan Noam Chomsky, ook bekend om zijn politieke activisme, introduceerde ideeën over taal die belangrijke implicaties hebben voor psychologie en taalwetenschap. In tegenstelling tot wat psychologen als B.E. Skinner hadden voorgesteld - dat we taal leren door voorbeelden uit onze omgeving te verzamelen - stelde Chomsky zich ten doel te bewijzen dat het leren van een taal een vaardigheid is waarvoor mensen een aangeboren aanleg hebben.
Met de publicatie van zijn boek Syntactic Structures in 1957 startte hij de beweging die de 'generatieve linguistiek' wordt genoemd. Voorstanders van deze beweging beweren dat we taal begrijpen en spreken volgens regels en dat de basisregels in alle talen hetzelfde zijn. Ondanks de blijkbaar enorme verschillen tussen bijvoorbeeld Engels en Chinees, hebben deze talen toch een zelfde 'dieptestructuur' met elkaar gemeen en daarom kan elk mensenkind elke taal leren. Op het niveau van de 'oppervlaktestructuur' verschillen talen veel van elkaar.

Chomsky ontwikkelde zijn 'generatieve grammatica' om te verklaren hoe het komt dat we ontelbare zinnen die we nog nooit hebben gehoord, toch herkennen, begrijpen of produceren, dat we de betekenis van zinnen met woorden die we niet kennen deels begrijpen en dat we inzien dat woorden soms verzonnen zijn zoals 'fteggrup' of 'nganga'. We kunnen een goed lopende zin in het Nederlands herkennen en de relatie tussen de zinsdelen begrijpen, zelfs wanneer die zin geen enkele betekenis heeft: 'Grammostolgie vormaart eondurant tossan wringande kartwiks en andeluze mesterlinks.' Chomsky stelde regelsystemen voor die tamelijk eenvoudig verklaren hoe geluiden worden samengevoegd en veranderen en hoe woorden van vorm veranderen, zelfs de zogenoemde onregelmatige werkwoorden.
Een deel van de controverse rond zijn werk heeft te maken met de mate waarin hij beweert dat er een aangeboren in plaats van een aangeleerde basis voor taal is - een stelling die fel wordt aangevochten door psychologen als Skinner. Hoewel de hersenen gebieden hebben met gespecialiseerde functies, moet een 'taalorgaan' dat structuur aan de taal verleent, nog worden gevonden.
Chomsky probeerde een 'universele grammatica' in het leven te roepen om de taa|kundige verscheidenheid te regelen, voor zover dat tenminste menselijkerwijs mogelijk is. (386)

  terug naar de Inhoud

70. De cultuur van de chimpansee - Jane Goodall geboren 1934
Door Andrew Whiten
Mensen en chimpansees stammen af van een gemeenschappelijke voorouder die ongeveer vijf miljoen jaar geleden leefde. Maar ondanks een eeuwenlange coëxistentie wist men tegen het midden van de twintigste eeuw nog bijna niets over het dagelijkse leven van onze nauwstverwante zustersoort.
Toen sloeg Jane Goodall in 1961 haar tenten op in het Gombe Stream-reservaat in Tanzania. Langzaam en geduldig liet ze de chimpansees van Gombe wennen aan haar aanwezigheid en noteerde ze gegevens over hun gedrag. Haar werk leerde ons niet alleen veel over chimpansees, maar vestigde onze aandacht ook op ons beeld van onze eigen uniekheid. De misschien wel verrassendste ontdekkingen waren dat chimpansees niet alleen een aantal werktuigen gebruiken om te vissen en naar voedsel te zoeken, maar die ook zelf maken, dat ze in groepjes jagen en de buit verdelen en dat de mannetjes fatale krijgstochten tegen hun buren ondernemen.

Toen anderen in Goodalls voetstappen traden en in verschillende delen van Afrika langlopend onderzoek deden, werd de volledige omvang van het gedrag van chimpansees duidelijk. Het recentste werk brengt de resultaten van 151 jaar van observaties tijdens zeven langlopende onderzoeken bij elkaar en onthult dat chimpansees net als wij een grote culturele variatie vertonen. Verschillende gemeenschappen gebruiken bijvoorbeeld andere werktuigen. In het westen van Afrika kraken chimpansees noten met een stenen hamer terwijl deze praktijk in het oosten van Afrika niet voorkomt, ondanks de aanwezigheid van dezelfde materialen.
Onder de meer dan veertig plaatsgebonden gebruiken zijn verschillende patronen met betrekking tot balts en verzorging. Onderzoek bij chimpansees in gevangenschap toont aan dat ze zich in een spiegel herkennen, een talent dat ook andere grote apen (gorilla’s en orang-oetangs) hebben. De geestelijke ontwikkeling die de bevindingen bij chimpansees in het wild en in gevangenschap impliceren, heeft ertoe geleid dat sommige landen de apen wettelijk tegen het gebruik in biomedische experimenten hebben beschermd. Er is zelfs een beweging die apen het equivalent van ‘mensenrechten’ wil toekennen. Dit hadden we ons een halve eeuw geleden nauwelijks kunnen voorstellen. (396)

  terug naar de Inhoud

71. Rechter- en linkerbrein - Roger Wolcott Sperry 1913 - 1994
Door Rory Howlett
De menselijke hersenen zien er symmetrisch uit en vele jaren lang dacht men dat de twee hersenhelften ongeveer dezelfde functies vervulden. Tot in 1962 de Amerikaanse neurowetenschapper Roger Sperry met een uitstekend onderzoek bij mensen begon. Hij toonde aan dat bepaalde functies voornamelijk in de ene of in de andere hersenhelft lagen. Voor dit werk kreeg hij in 1981 de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde.
De hersenhelften zijn door twee banden zenuwvezels onderling met elkaar verbonden. Een zo’n band wordt ‘corpus callosum’ genoemd. Om de rol van deze vezels bij dieren te bestuderen sneden Ronald Myers en Roger Sparry het corpus callosum door en beperkten de visuele toevoer naar de hersenhelften door vezels die van een oog naar de tegenoverliggende hersenhelft liepen door te snijden. Dieren die werd geleerd met het ene oog op een object te reageren konden dat niet met het andere oog. Het corpus callosum was dus duidelijk nodig om visuele informatie van de ene hersenhelft naar de andere over te dragen.
Sperry en zijn collega’s gingen dit ook op mensen toepassen en onderzochten epilepsiepatiënten wier verbindende zenuwvezels waren ingesneden om de epileptische activiteit in de hersenen te stoppen. Op het eerste gezicht leken deze patiënten zich normaal te gedragen en vroegere onderzoekers veronderstelden daarom dat de hersenhelften in wezen onafhankelijk van elkaar werkten. Sperry toonde echter niet alleen aan dat het corpus callosum bij mens en dier een gelijksoortige functie had, maar ook dat bepaalde geestelijke activiteiten beter door de ene hersenhelft werden geregeld dan door de andere.
Hoewel de twee hersenhelften inderdaad veel functies gemeenschappelijk hebben, is de linkerhersenhelft gespecialiseerd in taal, terwijl de rechter gespecialiseerd is in ruimte-tijdproblemen zoals het in de geest omdraaien van meetkundige vormen. Het is alsof we twee geesten hebben, een verbale en een non-verbale, die in de tegenoverliggende helften van onze hersenen liggen. Dit heeft grote filosofische gevolgen voor de aard van het bewustzijn en ons begrip van het ‘zelf’. (400)

  terug naar de Inhoud

72. De psychologie van gehoorzaamheid - Stanley Milgram 1933 - 1984
Door Peter Tallack
Gehoorzamen aan gezag zit al vanaf de geboorte in ons - gehoorzaamheid aan onze ouders, onze leraren, onze baas, de wet. In feite is deze houding een voorwaarde voor het goed functioneren van elke gemeenschap van mensen. Maar kan deze neiging tot gehoorzamen en zich schikken verklaren waarom zoveel in andere opzichten fatsoenlijke en ordelievende Duitse burgers in de Tweede Wereldoorlog wreedheden begingen? Onthult hun gedrag een aanleg die we allemaal hebben?
In 1961-1962 onderzocht de Amerikaanse psycholoog Stanley Milgram op ingenieuze wijze de reactie van gewone mensen op immorele opdrachten. Een vrijwilliger ging naar een laboratorium om zogenaamd deel te nemen aan een experiment dat het effect van straf op leren onderzocht. Als leraar werd hij naar een kamer gebracht waar een andere persoon - de leerling - op een stoel zat vastgebonden met elektroden om de polsen. De leraar moest vervolgens een lijst woorden voorlezen en de leerling vragen die te onthouden. Elke keer als de leerling een fout maakte, moest hij hem een sterkere elektrische schok geven. Natuurlijk waren de schokken niet echt en de leerling, een medewerker, deed alleen maar alsof hij pijn had.
Erg genoeg bleven in het eerste experiment 25 van de 40 leraren schokken toedienen totdat die het hoogste niveau - 450 volt - met het opschrift ‘Gevaar: zware schok’ hadden bereikt. Bezorgde leraren vroegen vaak aan de experimentator: “Ben ik verantwoordelijk?” En als die zei dat hij dat niet was, leek het straffen gemakkelijker te zijn, ook al werden sommigen tijdens het experiment heel zenuwachtig en gestresst en smeekten ze de experimentator te stoppen.
Vervolgexperimenten toonden aan dat leraren niet zo gehoorzaam waren als ze met de leerling in dezelfde kamer waren of als de experimentator er niet bij was. En vrouwen waren net zo gehoorzaam als mannen. Het lijkt erop dat veel mensen geen weerstand kunnen bieden aan gezag, zelfs wanneer ze een onschuldig slachtoffer harteloos en onmenselijk moeten behandelen - een voorbeeld van een gehoorzaamheid die niet wordt tegengehouden door het geweten.
Dit roept de eeuwenoude vraag op: wat is het juiste evenwicht tussen individueel initiatief en sociaal gezag? (402)

  terug naar de Inhoud

73. De evolutie van samenwerking - William Donald Hamilton 1926 - 2000
Door Mark Ridley
Hoe kon in de darwinistische visie op het leven het ene dier zo evolueren dat het een ander dier helpt? Natuurlijke selectie steunt de individuen die de meeste nakomelingen achterlaten. Maar als een dier een ander dier helpt, zal het dier dat helpt minder nakomelingen krijgen en zal het dier dat geholpen wordt meer nakomelingen krijgen: natuurlijke selectie werkt blijkbaar alle vormen van onbaatzuchtig en coöperatief gedrag tegen.
Maar dieren helpen elkaar echt. Mieren, bijen en wespen zijn sprekende voorbeelden. Een honingbij gaat als ze haar angel gebruikt meteen dood omdat het achterste stuk van het lijf eraf wordt gerukt om gif in het slachtoffer te pompen. De maatjes van de dode bij in de bijenkorf profiteren van die zelfmoord.

‘Onbaatzuchtig’ gedrag zoals dit was voor de darwinisten lange tijd een raadsel. Het raadsel werd in 1964 opgelost door Bill Hamilton, een Engelse bioloog die net aan zijn promotieonderzoek was begonnen. Hamilton realiseerde zich dat het voor een individu een voordeel kan zijn zich voor anderen op te offeren, mits hij zich opoffert voor zijn genetische familieleden. Elk gen van een individu zit vermoedelijk ook in zijn broers en zussen. Natuurlijke selectie steunt onbaatzuchtigheid actief als de onbaatzuchtige daad de ontvangers genoeg voordelen biedt in vergelijking met de prijs die het onbaatzuchtige individu ervoor moet betalen.
Hamiltons theorie kon heel succesvol voorspellen wanneer dieren zich onbaatzuchtig gedragen. De theorie werkt verbazingwekkend goed bij mieren, bijen en wespen omdat deze insecten een bijzonder systeem van genetische erfelijkheid hebben. Een mier kan meer genen met haar zus delen dan met haar eigen nakomelingen en dat verklaart de hoge evolutie van sociaal gedrag (onder zussen) bij deze insecten.
Hamiltons theorie levert de basis voor het moderne onderzoek naar sociaal gedrag. De theorie werd ook toegepast op menselijk gedrag (hoewel Hamilton zich daar niet speciaal voor interesseerde), vooral toen Edward O. Wilson in de jaren zeventig en tachtig van de twintigste eeuw de omstreden theorie van de menselijke sociobiologie verdedigde. (406)

  terug naar de Inhoud

74. Quarks - Murray Gell-Mann geboren 1929
Door Stephen Battersby
Rond 1930 wisten natuurkundigen inmiddels dat alle materie uit drie soorten deeltjes bestonden: elektronen, neutronen en protonen. Maar er verscheen een hele reeks ongewenste extraatjes - neutrino’s, het positron en antiproton, pionen en muonen, kaonen, lambda’s en sigma’s - zodat tegen l965 honderd schijnbaar elementaire deeltjes waren ontdekt. Het was een puinhoop.
De Amerikaanse theoreticus Murray Gell-Mann bedacht een nieuw, dieper bestaansniveau en ruimde op. In 1961 ontdekte hij patronen in de eigenschappen van een aantal van deze deeltjes die op een onderliggende structuur wezen. Het betrof een handjevol elementaire deeltjes die hij in 1964 ‘quarks’ noemde.
Men denkt nu dat er zes quarks zijn, die ‘up’ (op), ‘down’ (neer), ‘strange’ (vreemd), ‘charm’ (tover), ‘bottom’ (onder) en ‘top’ (boven) worden genoemd. Protonen bestaan uit twee opquarks en een neerquark, neutronen uit twee neerquarks en een opquark, en die worden allemaal stevig bij elkaar gehouden door andere deeltjes, ‘gluonen’ genoemd. Combinaties van de andere quarks vormen al die andere exotische, kortlevende samengestelde deeltjes. Ze worden allemaal bij elkaar gehouden door een enorm sterke maar korte kracht die de ‘kleurlading’ wordt genoemd en die door de gluonen wordt gedragen.

Minder dan een seconde na de oerknal was het heelal zo heet en compact dat het een vormloze plasma van quarks en gluonen was - een toestand die natuurkundigen tegenwoordig in hun deeltjesversnellers proberen weer te geven.
Maar niet alles is gemaakt van quarks. Elektronen en neutrino’s plus de twee elektronachtige deeltjes muon en tau zitten in een andere klasse van elementaire deeltjes, leptonen genoemd. En dan zijn er de deeltjes die krachten dragen: fotonen, gluonen, W-deeltjes, Z-deeltjes en Higgs-deeltjes.
Alles bij elkaar genomen zijn deze drie belangrijke soorten deeltjes, quarks, leptonen en de krachtdragende deeltjes, goed voor alles wat bestaat - voor zover we weten. Maar dit ‘standaardmodel’ van de deeltjesfysica is waarschijnlijk nog niet compleet. Er zijn nog meer realiteiten die onderzocht moeten worden. (408)

  terug naar de Inhoud

75. Verenigde krachten - Sheldon Lee Glashow geboren 1932, Abdus Salam 1926 - 1996, Steven Weinberg geboren 1933
Door Stephen Battersby
De natuur is dol op verborgen identiteiten. Elektromagnetische krachten bijvoorbeeld zijn sterk en hebben een groot bereik, terwijl de ‘zwakke atoomkracht’ niet uit de kleine atoomkern kan komen. En toch zijn ze allebei gelijkwaardig. De theorie die kwantumelektrodynamica wordt genoemd, zegt dat elektromagnetisme wordt overgebracht door fotonen. Vanwege de grote successen van de theorie zochten natuurkundigen naar een soortgelijke beschrijving van de andere krachten in de natuur en in 1967 lukte het Sheldon Glashow, Abdus Salam en Steven Weinberg ten slotte een theorie op te stellen voor de zwakke atoomkracht. Ze hadden een meevaller. Hun theorie vereiste vier dragende deeltjes. Op de eerste plaats zorgden drie nieuwe deeltjes, de bosonen W+, W- en Z genoemd, voor de zwakke kracht.
W-, W+ en Z werden in 1983 ontdekt in de reusachtige deeltjesversnellers van het CERN, het Europees laboratorium voor hoge-energiefysica in Genève, en de theorie werd bevestigd. Maar de drie natuurkundigen ontdekten dat hun theorie ook het oude bekende foton bevatte, de drager van elektromagnetisme. De twee krachten werden geregeld door precies dezelfde vergelijkingen. Waarom zijn ze dan zo verschillend?
De bosonen W en Z zijn enorm zwaar. Om te ontstaan en de zwakke kracht te kunnen dragen moeten ze heel veel energie ‘lenen’. De kwantummechanica voorziet hier wel in, maar slechts zelden, waardoor de zwakke kracht zwak is; en ook maar voor een korte tijd, waardoor de zwakke kracht een kort bereik heeft. Bij heel hoge temperaturen verdwijnen deze beperkingen: de elektromagnetische en zwakke krachten verliezen hun zelfstandigheid en smelten samen in een ‘superkracht’.
Ze waren misschien verenigd in het hete jonge heelal, minder dan een biljoenste seconde na het begin van de tijd. De spanningen die werden geproduceerd toen de krachten uit elkaar gingen kunnen van de knal zelfs de oerknal hebben gemaakt, omdat ze het vreemde proces van ‘inflatie’ in gang zetten: een korte exponentiële uitdijing van het heelal. (416)

  terug naar de Inhoud

76. De symbiotische cel - Lynn Margolis geboren 1938
Door Mark Ridley
Elke cel in een menselijk lichaam stamt af van een voorouderlijke versmelting van twee eenvoudiger cellen die 2 miljard jaar geleden plaatsvond. We kunnen die historische gebeurtenis zien in de structuur van onze cellen. De genen in onze cellen zijn gerangschikt in twee locaties. De meeste genen zitten in de celkern, maar een klein aantal genen wordt gevonden buiten de kern, in een andere structuur die het mitochondrion wordt genoemd. Waarom hebben onze cellen deze twee genensets?
In een artikel dat in 1967 werd gepubliceerd stelde de Amerikaanse bioloog Lynn Margolis dat onze mitochondria uiteindelijk afstammen van onafhankelijke bacteriële cellen. In het verleden nam een grotere cel een kleinere cel op, misschien at hij hem gewoon op. De kleinere cel kon in de grotere cel overleven en de tweecellige combinatie werd een succesvol team. Misschien hadden ze nog meer vaardigheden. De kleine cel kon misschien voedsel verbranden en zo energie opwekken (dit doen de mitochondria in moderne cellen) en de grotere cel kon misschien het voedsel produceren dat de kleinere verbrandde.
Mitochondria lijken op bacteriën en groeien en delen zich in de grotere cel zelfs in tweeën in hun eigen tempo.

Na verloop van tijd evolueerden de twee partners in het soort cel waarvan onze lichamen tegenwoordig zijn gemaakt. Mitochondria zien er nog altijd als bacteriën uit en de paar genen die nog in de mitochondria zitten lijken op bacteriële genen. Een soortgelijke symbiotische gebeurtenis leidde tot de evolutie van chloroplasten, de structuren die bij groene planten zorgen voor fotosynthese.
Onze cellen met een mitochondriale en nucleaire genenset worden ‘eukaryotische’ cellen genoemd. Bacteriële cellen missen zowel een aparte kern als het mitochondrion en worden ‘prokaryotische’ cellen genoemd. Prokaryotische cellen hebben het leven op aarde vanaf het ontstaan ervan 4 miljard jaar geleden tot de evolutie van de eukaryotische cel 2 miljard jaar geleden gedomineerd. Het moderne planten- en dierenleven bestaat uit eukaryotische cellen. De symbiotische versmelting die Margolis identificeerde, kan de grote doorbraak zijn geweest in het evolutionaire ontstaan van complexe levensvormen op aarde. (418)

  terug naar de Inhoud

77. De vijf koninkrijken van het leven - Robert Harding Whittaker 1920 - 1980
Door Mark Ridley
‘Dierlijk, plantaardig of mineraal?’ De vraag suggereert dat iets levends ofwel een plant ofwel een dier is en biologen hebben altijd al dezelfde opvatting gekoesterd. Biologen ontdekten wel dat een aantal wezens, zoals paddestoelen, zich niet aan het onderscheid stoorden, maar dwongen ze toch maar in de planten- of dierengroep. Paddestoelen zijn schimmels, bijvoorbeeld, en tot voor kort beschouwden biologen schimmels als planten - beter gezegd als ‘planten zonder fotosynthese’.
Dan waren er de microben. Biologen vonden na de ontdekking ervan in de zeventiende eeuw steeds meer microscopische levensvormen en deze werden allemaal in een van de twee groepen geplaatst. Sommige microben kenden fotosynthese: ze werden gedefinieerd als algen en in de plantengroep geplaatst. Andere leken meer op dieren: zij werden protozoa genoemd en in de dierengroep geplaatst.

In de negentiende eeuw ontdekten biologen bacteriën - nog kleinere microben - maar niemand kon die definiëren als dier of plant. Aan het begin van de twintigste eeuw wisten biologen dat niet alle leven kon worden ingedeeld in dieren en planten, maar het oude idee werd pas begraven toen in 1969 een Amerikaanse ecoloog, Robert Whittaker, zijn classificatie van vijf koninkrijken voorstelde. Hij verdeelde het leven in dieren, planten, schimmels, protisten en bacteriën.
Dieren, planten, schimmels en protisten zijn ‘eukaryoten’. Ze bestaan uit cellen (of één cel in het geval van protisten) met een aparte kern. Bacteriën zijn ‘prokaryoten’. Hun cel heeft geen aparte kern. Whittakers classificatie vond weerklank. Schimmels hebben niets met planten te maken, maar zijn inderdaad nauwer verwant met dieren.
Later onderzoek heeft Whittakers systeem gewijzigd. Sommige biologen geven er de voorkeur aan de protisten in meer dan een koninkrijk in te delen, maar de belangrijkste ontwikkeling kwam toen Carl Woese ontdekte dat er twee groepen prokaryoten zijn (archaea en bacteriën) en niet een. Dit heeft geleid tot een classificatie van het leven in ‘drie domeinen’: archaea, bacteriën en eukaryoten, die de andere vier koninkrijken van Whittakers systeem bevatten. (426)

  terug naar de Inhoud

78. De Gaia-hypothese - James Lovelock geboren 1919
Door Phil Gates
Het concept van de aarde als een reusachtig levend organisme kan worden teruggevoerd tot Plato in ongeveer 400 v.Chr., maar pas in de twintigste eeuw kreeg het wetenschappelijke geloofwaardigheid. James Lovelock is een onafhankelijke Britse wetenschapper die in de periode 1960-1970 bij NASA (National Aeronautics and Space Administration) werkte en daar onderzoek deed naar de mogelijkheid van leven op Mars. Hij bestudeerde het leven op aarde zoals hij op verre planeten naar leven zoekt - door het analyseren van de atmosfeer.
Hij wees erop dat de atmosfeer van onze planeet een hoogst onwaarschijnlijk mengsel van gassen is dat in evenwicht wordt gehouden door geochemische processen (zoals erosie van gesteente) en door de activiteiten van de organismen die door de atmosfeer in stand worden gehouden (zoals de verwijdering van kooldioxide en de vorming van zuurstof door fotosynthese bij planten).

Zijn controversiële ‘Gaia-hypothese’, genoemd naar de oude Griekse aardgodin, stelt dat biologische en fysische processen op aarde samenwerken om voorwaarden te scheppen en te regelen die bijdragen tot het voortbestaan van het leven. Het idee werd voor het eerst in 1972 geopperd en werd door de gevestigde wetenschap verworpen wegens gebrek aan nauwkeurigheid. Maar de steun kwam in 1981 toch toen Lovelock ‘Daisy-world’ maakte, een computersimulatie van een wereld bewoond door witte of zwarte madeliefjes die de zonnestralen respectievelijk reflecteren of absorberen. Omdat hun relatieve aantallen veranderen in overeenstemming met de heersende oppervlaktetemperatuur, zorgen de madeliefjes voor een temperatuurevenwicht op de hele wereld. Later verbeterden ingewikkeldere modellen met een grotere biodiversiteit de stabiliteit van het systeem.
Lovelocks Gaia-hypothese is nu heel belangrijk bij door mensen veroorzaakte veranderingen in de aardatmosfeer die de stabiliteit van ons klimaat, onze ecosystemen, voedselproductie en gezondheid bedreigen. Zonder broeikasgassen zou de oppervlaktetemperatuur van de aarde -19 graden Celsius zijn, maar als de broeikasgassen onbeheerst toenemen boven het huidige niveau, zou het klimaat van de aarde op dat van Venus gaan lijken. Waarborgen dat de samenstelling van de broeikasgassen van Gaia stabiel blijft, is een van de grootste wetenschappelijke en politieke uitdagingen van onze tijd.
Het idee dat alle leven samenwerkt om onze planeet bewoonbaar te houden, werd niet lang geleden verworpen als overbodig en misleidend, maar tegenwoordig kan James Lovelock op heel wat meer erkenning rekenen. (432)

  terug naar de Inhoud

79. Genetische neven - Mary-Claire King geboren 1946, Allan C. Wilson 1935 - 1991
Door Mark Ridley
Niemand zal een mens met een chimpansee verwarren. Mensen lopen rechtop, gebruiken taal, hebben weinig lichaamshaar en leiden een sociaal leven dat is gebaseerd op een band tussen twee mensen. Chimpansees zijn in alle opzichten anders. De biologische kenmerken van alle soorten zijn gecodeerd in hun DNA en je zou verwachten dat het DNA van mensen en chimpansees net zo verschillend was als hun lichaam. Maar in 1975 toonden twee Amerikaanse biologen, Mary-Claire King en Allan Wilson, aan dat het DNA van de twee soorten bijna niet te onderscheiden is. Het DNA van mensen en chimpansees is voor 98,5 procent identiek: maar ongeveer 1,5 procent van de coderende delen in het DNA van de twee soorten is verschillend.
King en Wilson gebruikten het moleculaire verschil tussen mens en chimpansee in twee evolutionaire afleidingen. Sinds 1960 was bekend dat het moleculaire verschil tussen twee soorten met een ongeveer constante snelheid in de tijd toeneemt: een verschijnsel dat de moleculaire klok wordt genoemd. Het moleculaire verschil tussen twee soorten kan dan (na ijking) worden gebruikt om de tijd terug naar hun gemeenschappelijke voorouders te schatten.
Het verschil van 1,5 procent tussen het DNA van mens en chimpansee duidt erop dat ze ongeveer vijf miljoen jaar geleden uit elkaar zijn gegaan. In 1975 leek deze datering vóór het ontstaan van de mens de (veel eerdere) datering die werd afgeleid van fossielen, tegen te spreken, maar ze is nu alom geaccepteerd.
De tweede afleiding was dat het grote verschil tussen de lichamen van chimpansees en mensen geëvolueerd kan zijn tengevolge van veranderingen in een klein aantal regulatieve genen. Sommige genen zijn ‘structurele’ genen die enzymen en de bouwstenen van het lichaam coderen. Andere zijn ‘regulatieve’ genen die regelen wanneer de structurele genen in- of uit worden geschakeld. Chimpansees en mensen verschillen misschien een beetje in hun structurele genen, maar meer in de regulatieve genen die de expressie van de structurele genen regelen. Dit idee is nog niet bewezen, maar is zeer invloedrijk in de huidige manier van denken over de genetische basis van evolutionaire veranderingen in het lichaam. (444)

  terug naar de Inhoud

80. Een unieke soort - Jared Diamond
Waarom zijn we zo verschillend geëvolueerd? De vraag wordt nog dringender als we ons vergelijken met onze nauwste verwanten onder de zoogdiersoorten van de wereld, de grote apen (te onderscheiden van de gibbons of kleine apen). Het dichtst bij ons staan de chimpansee en de bonobo uit Afrika, waarvan we maar in ongeveer 1,5 procent van ons nucleaire genetische materiaal (DNA) verschillen. Bijna net zo dichtbij staan de gorilla (2,3 procent genetisch verschil met ons) en de orang-oetang uit Zuidoost-Azië (3,6 procent verschil).
Onze voorouders evolueerden ‘pas’ ongeveer vijf miljoen jaar geleden van de voorouders van chimpansees en bonobo’s, negen miljoen jaar geleden van de voorouders van de gorilla’s en veertien miljoen jaar geleden van de voorouders van de orang-oetangs. Dat lijkt in vergelijking met een mensenleven een enorm lange tijd, maar het is maar een knipoog op de evolutionaire tijdschaal. Al meer dan drie miljard jaar is er leven op aarde en meer dan een half miljard jaar geleden ontstond er een diversiteit aan grote complexe dieren met harde schaal. In die relatief korte periode waarin onze voorouders en de voorouders van onze familie van grote apen afzonderlijk evolueerden, zijn we maar in een paar belangrijke opzichten en in een bescheiden mate veranderd, hoewel een paar van die bescheiden verschillen - vooral onze rechte lichaamshouding en grotere hersenen - enorme consequenties hebben gehad voor ons verschil in gedrag. Samen met lichaamshouding en hersenomvang maakt seksualiteit het drietal doorslaggevende opzichten waarin de voorouders van mensen en grote apen verschilden compleet.
Orang-oetangs leven vaak alleen. Mannetjes en vrouwtjes komen alleen bij elkaar om te paren en mannetjes zorgen niet voor hun jongen. Een gorillamannetje verzamelt een harem van een paar vrouwtjes om zich heen met wie hij om de paar jaar seks heeft (nadat het vrouwtje haar laatste kroost voedt en weer begint te menstrueren en voordat ze weer drachtig wordt) en chimpansees en bonobo’s leven in groepen zonder een blijvende band tussen mannetje en vrouwtje of tussen vader en jongen.

Het is duidelijk hoe onze grote hersenen en rechte lichaamshouding een doorslaggevende rol hebben gespeeld voor ons zogeheten mens-zijn - we gebruiken taal, lezen boeken, kijken televisie, kopen of kweken ons voedsel, wonen op alle werelddelen, sluiten leden van onze eigen soort en van andere soorten op in kooien en roeien de meeste andere dieren- en plantensoorten uit. Daarentegen hebben de grote apen nog steeds geen gesproken taal, verzamelen in het oerwoud wilde vruchten, bewonen kleine gebieden in de tropen van de oude wereld, zetten geen dier in een kooi en brengen het bestaan van andere soorten niet in gevaar. Welke rol heeft onze ongewone seksualiteit bij het bereiken van deze kenmerken van het mens-zijn gespeeld?
Kan ons seksuele verschil in verband worden gebracht met de andere verschillen tussen ons en de grote apen?
Naast (en misschien uiteindelijk als gevolg van) onze rechte lichaamshouding en grote hersenen omvatten deze verschillen onze relatieve kaalheid, afhankelijkheid van gereedschappen, het beheersen van vuur en taalontwikkeling, kunst en schrift. Als tengevolge van deze verschillen wij waren voorbestemd om onze seksuele verschillen te ontwikkelen, dan zijn de verbanden beslist onduidelijk. Het is bijvoorbeeld niet duidelijk waarom het verlies van lichaamshaar seks als tijdverdrijf aantrekkelijker zou hebben gemaakt en het is ook niet duidelijk waarom onze beheersing van vuur de menopauze zou hebben bevorderd. In plaats daarvan kan het zijn dat seks en menopauze net zo belangrijk waren voor onze ontwikkeling van vuur, taal, kunst en schrift als onze rechte lichaamshouding en grote hersenen.

De sleutel voor het begrijpen van de menselijke seksualiteit is het inzicht dat die een probleem is in de evolutionaire biologie. Toen Darwin in zijn geweldige boek ‘Over het ontstaan van soorten’ inging op het verschijnsel biologische evolutie, leverde de anatomie hem de meeste bewijzen. Hij kwam tot de conclusie dat de meeste planten en dieren evolueren - dat wil zeggen, ze veranderen van generatie op generatie. Hij concludeerde ook dat de belangrijke kracht achter evolutionaire verandering natuurlijke selectie is. Met die term bedoelde Darwin dat planten en dieren verschillen in hun anatomische aanpassingen, dat individuen met bepaalde aanpassingen kunnen overleven en zich succesvoller voortplanten dan andere individuen en dat die specifieke aanpassingen daarom van generatie op generatie vaker in een populatie voorkomen.
Latere biologen toonden aan dat Darwins redenering over anatomie ook van toepassing is op fysiologie en biochemie: ook de fysiologische en biochemische eigenschappen van een dier of een plant passen zich aan bepaalde levensstijlen aan en evolueren als reactie op omgevingsfactoren. Evolutionair biologen hebben aangetoond dat ook sociale systemen van dieren evolueren en zich aanpassen. Zelfs bij nauwverwante diersoorten leven sommige dieren alleen, andere in kleine groepen en weer andere in grote groepen. Maar sociaal gedrag heeft consequenties voor overleving en voortplanting. Afhankelijk van het feit of een soort zijn voedsel in een klein of een groot gebied vindt en of een soort het risico loopt te worden aangevallen door roofdieren, kan alleen of in een groep leven beter zijn voor overleving en voortplanting.

Soortgelijke overwegingen gelden voor seksualiteit. Sommige seksuele eigenschappen kunnen gunstiger zijn voor overleving en voortplanting dan andere en die zijn dan weer afhankelijk van de voedselvoorziening van de soort, het gevaar van roofdieren en andere biologische eigenschappen. We kunnen het probleem van onze seksualiteit opnieuw definiëren. In de afgelopen zeven miljoen jaar verschilde onze seksuele anatomie een klein beetje, onze seksuele fysiologie een beetje meer en ons seksuele gedrag nog meer van onze nauwste verwanten, de chimpansees. Die verschillen moeten wel een verschil tussen mens en chimpansee op het vlak van omgeving en levensstijl weerspiegelen. (445)
[De mens heeft de vrijheid gekregen, minder volgens zijn driften te moeten leven zoals de dieren en heeft daardoor de mogelijkheid gekregen zichzelf te leren beheersen, en zo geestelijk te groeien.]

  terug naar de Inhoud

81. Fractalen, zelfgelijkvormigheid - Benoit Mandelbrot geboren 1924
Door Richard Mankiewicz
In 1975 publiceerde Benoit Mandelbrot het historische boek ‘The Fractal Geometry of Nature’, het hoogtepunt van meer dan twintig jaar onderzoek, dat een enorme verzameling wiskundige curiositeiten in een samenhangend kader plaatste. Hij bedacht het woord ‘fractal’ van het Latijnse ‘fractus’: gebroken, om de nadruk te leggen op de gebroken en onregelmatige aard van zijn door de computer geproduceerde geometrische landschappen.
Bij wiskundige fractalen lijken de delen op het geheel. Neem als voorbeeld de kustlijn van Engeland. Deze ziet er op het eerste gezicht tamelijk kronkelig en gekreukeld uit. Als we steeds verder konden vergroten, zouden we de kustlijn telkens gedetailleerder zien. Bij elke volgende vergroting blijven de ‘kreukels’ echter hetzelfde en maken ze een wezenlijk deel uit van de kustlijn.
Bij fractalen wordt de overeenkomst tussen de delen en het geheel verkregen door een rekenvoorschrift of algoritme. Dit rekenvoorschrift produceert in eerste instantie een eindeloze rij getallen, waarbij elk getal als uitgangspunt fungeert om het volgende getal volgens een vaste regel te berekenen. In de Eerste Wereldoorlog ontdekten de Franse wiskundigen Gaston Julia en Pierre Fatou een dergelijke rij die zich schijnbaar chaotisch gedroeg, maar onder bepaalde omstandigheden begrensd was. Pas toen Mandelbrot een grafisch programma had ontwikkeld, werd duidelijk dat de begrensde rijen figuren vormden die op een subtiele manier ingewikkeld waren.
Een ander aspect van fractalen is hun gebroken dimensie. De lengte van de kustlijn van Engeland hangt af van de manier waarop die gemeten wordt: hij neemt tot in het oneindige toe naarmate hij met kleinere stapjes wordt afgepast. Als we een rechte lijn uit kleine lijnstukjes (stapjes) opbouwen, is het aantal stapjes evenredig met de eerste macht van de inverse staplengte. Als we een vierkant opbouwen uit meerdere kleine vierkantjes, dan is het aantal benodigde kleine vierkantjes evenredig met de tweede macht van de inverse vierkantszijde. Bij een kreukelige kromme die er in het klein precies zo uitziet als in het groot, krijgen we een macht tussen l en 2. Dit noemen we de gebroken dimensie.
Als je goed om je heen kijkt, zie je overal fractalen en zelfgelijkvormigheid: in de structuren van planten en longen, wolkenformaties, de fluctuaties van de beurskoers, de verdeling van melkwegstelsels en inderdaad ook in kustlijnen. (446)

  terug naar de Inhoud

82. De kwantumgeheimzinnigheid - Alain Aspect geboren 1947
Door Stephen Battersby
Wat is realiteit? Ons gezonde verstand zegt dat objecten bestaan, of we er nu naar kijken of niet, maar de kwantummechanica bekijkt dat heel anders: de wereld bestaat uit onzekerheden die alleen worden gerealiseerd als er een meting wordt gedaan. Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen vonden de beschrijving van de kwantumwereld absurd en bedachten in 1953 een gedachte-experiment om dat te bewijzen. Als twee deeltjes uit één toestand (bijvoorbeeld een atoom) voortkomen, staan hun eigenschappen met elkaar in wisselwerking. Als je dus het ene deeltje meet, moet het mogelijk zijn afleidingen voor de toestand van het andere te maken.
Maar de kwantummechanica beweert dat de deeltjes vóór de meting geen echte eigenschappen hebben. Het doen van een meting op het ene deeltje moet dus op de een of andere manier een onmiddellijke invloed op het andere hebben, zelfs als je het niet aanraakt - en zelfs als het inmiddels al heel ver weg is (de kwantumverstrengeling).

Einstein vond deze ‘spookachtige werking op afstand’ onaanvaardbaar. Natuurlijk moet elk deeltje zelfstandige, echte eigenschappen hebben, toch? In 1965 berekende de Britse natuurkundige John Steward Bell dat de correlatie die je ziet volgens de kwantumtheorie groter zou zijn dan volgens elke andere theorie die de deeltjes hun eigen echte eigenschappen verleent.
Het complexe experiment om dit te testen werd uiteindelijk in 1982 uitgevoerd door Alain Aspect en zijn collega’s van de Universiteit van Parijs in Orsay. Ze keken naar de polarisatie van paren fotonen die door calciumatomen werden uitgezonden en het waargenomen niveau van wisselwerking (door de kwantumverstrengeling) was waarachtig te hoog om de mening van de realisten te bevestigen en steunde in plaats daarvan de kwantumtheorie.
Deze realiteit is niet gemakkelijk. Maar ze geeft de filosofen heel wat ruimte en er bestaan diverse interpretatiemogelijkheden van de kwantummechanica. Verandert het menselijke bewustzijn de kwantumonzekerheid in een echte meting? Bestaan alle mogelijke uitkomsten van een meting in parallelle universums? Wordt de wereld bijeengehouden door een netwerk van ‘niet-plaatselijke’ verbindingen? Of vertelt de kwantummechanica ons alleen iets over metingen en experimenten en niet over de werkelijkheid zelf? (464)

  terug naar de Inhoud

83. Geheugenmoleculen - Eric Kandel geboren 1929
Door Rory Howlett
Eric Kandel werd in 1929 geboren in Wenen, maar emigreerde als kind al naar de Verenigde Staten wegens de dreigende onderdrukking door de nazi’s. Na zijn studie psychiatrie aan de Universiteit van Harvard raakte hij gefascineerd door de biologie van de hersenen, met name de moleculaire basis van kennis en geheugen. De menselijke hersenen bevatten miljarden zenuwcellen die in een ingewikkeld netwerk met elkaar zijn verbonden. Chemische neurotransmitters dragen tussen de zenuwcellen informatie over door middel van gespecialiseerde verbindingen die synapsen worden genoemd.
Omdat de menselijke hersenen zo complex zijn, begon Kandel in 1960-1970 het relatief eenvoudige zenuwstelsel van de zeenaaktslak Ajabuia te bestuderen - een project dat hem de volgende vijfentwintig jaar zou bezighouden. Ajabuia reageert op schadelijke prikkels door de kieuwen in te trekken. Deze kieuwreflex kan door leren worden versterkt. Kandel ontdekte dat één enkele schadelijke prikkel maar een paar minuten werd onthouden. Dit kortetermijngeheugen vereist geen activiteit van de genen en ook geen productie van eiwitten, maar er zijn in de synapsen tussen de sensorische en motorische zenuwen wel chemische veranderingen bij betrokken, die zorgen voor het intrekken van de kieuwen. Deze veranderingen worden veroorzaakt door enzymen, kinasen genoemd, die aan specifieke kanalen aan het zenuwuiteinde fosfaatgroepen toevoegen. Dit verhoogt de toevloed van calciumionen in het zenuwuiteinde, wat op zijn beurt het afgeven van de neurotransmitter stimuleert en de kieuwreflex op gang brengt.

Sterkere herhaalde schadelijke prikkels leiden tot een herinnering van een paar dagen of weken. Ook hier worden de veranderingen in de synapsen veroorzaakt door het toevoegen van fosfaatgroepen aan eiwitten, maar nu wordt een signalerende cascade geactiveerd die veranderingen in de activiteit van de genen en de productie van eiwitten veroorzaakt. De daaruit voortvloeiende anatomische veranderingen versterken de verbindingen tussen de zenuwcellen.
Sindsdien heeft Kandel aangetoond dat een soortgelijk moleculair mechanisme ten grondslag ligt aan het korte- en langetermijngeheugen van muizen. Het kan dus ook heel goed de basis vormen van het geheugen van de mens.
Voor zijn werk kreeg Kandel in 2000 de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde, samen met zijn collega-neurologen Arvid Carlsson en Paul Greengard. (470)

  terug naar de Inhoud

84. De snaartheorie
Michael Boris Green geboren 1946, John Schwartz geboren 1941
Door Stephen Battersby
Het hele bestaan is niets dan enkele op een snaar getokkelde tonen. Dit is geen mystiek en ook geen muziekwetenschap. Het is een verklaring van de materiële wereld. De snaartheorie zegt dat subatomaire deeltjes helemaal geen deeltjes zijn, maar oneindig kleine eendimensionale ‘snaartjes’ (strings). Deze ‘superstrings’ kunnen trillen als een vioolsnaar, al zijn ze minder dan een miljoenste van een miljardste van een proton groot en bestaan ze in een ruimte met zes extra dimensies, die allemaal verticaal op onze bekende drie dimensies staan. Ze zijn echter zo strak opgerold dat we ze niet kunnen zien.

De toon van de trilling bepaalt welke eigenschappen de snaar heeft: de ene toon hangt samen met een elektron, andere tonen met een quark, foton, neutrino of iets anders. In 1984 toonden de natuurkundigen Michael Green en John Schwarz aan dat superstrings de natuur konden verenigen. Elektromagnetische en nucleaire krachten zouden verschillende kanten van een en dezelfde ‘superkracht’ zijn en er is zelfs een soort snaartrilling die zwaartekracht kan dragen.
Niet alleen zijn alle krachten en deeltjes uitingen van een enkel basisgegeven, de snaar, maar de theorie moet ook alle andere dimensies regelen die het heelal beheersen. Waarom zijn elektronen zo licht? Waarom zijn er zoveel soorten quarks? Waarom trekken neutrino’s zich niets aan van elektromagnetische krachten? Theoretisch kunnen snaren dat allemaal verklaren.
Maar er zitten addertjes onder het gras. Het maken van berekeningen in de snaartheorie is zo moeilijk, dat er nog maar weinig concrete voorspellingen zijn uitgekomen, zodat de theorie nog niet echt is getest. En sommige natuurkundigen voeren aan dat de theorie het bestaan van ruimte en tijd als een gegeven aanneemt, terwijl een echte theorie deze dimensies ook zou verklaren.
Er bestaat een aantal verschillende versies van de snaartheorie, maar Ed Witten en andere theoretici hebben nu aangetoond dat die alleen maar facetten zijn van een amper waarneembare eindtheorie, de M-theorie genoemd, die nóg vreemder kan zijn. (474)

  terug naar de Inhoud

85. Het mannelijke gen
Robin Lovell-Badge geboren 1953, Peter Goodfellow geboren 1951
Door Susan Aldridge
De verschillen in de chromosomen van mannen en vrouwen zijn al lang bekend. Doorgaans hebben vrouwen twee X-chromosomen en mannen een X- en een Y-chromosoom. Maar soms heeft iemand mannelijke en vrouwelijke eigenschappen en er zijn ook XY-vrouwen en XX-mannen. Onderzoek van deze personen heeft een paar genen aan het licht gebracht, die bij de bepaling van de sekse betrokken zijn. In gevallen van een onbepaalde of ‘verkeerde’ sekse, ontbreken een of meer van deze genen of vertonen ze een defect.
Het belangrijkste gen is het SRY-gen (sexdetermining region Y), dat de vorming van de zaadballen regelt. David Page van het Massachusetts Institute of Technology ontdekte SRY tijdens de ontwikkeling van de eerste genenkaart van het Y-chromosoom. Vervolgens lokaliseerden twee Britse wetenschappers - Robin Lowell-Badge en Peter Goodfellow - SRY op deze kaart bij mannen en muizen. Het eiwit dat SRY codeert, bindt zich aan het DNA in de cel en wijzigt de eigenschappen van het DNA met ingrijpende gevolgen voor het embryo. Rond de twaalfde week van de zwangerschap ontwikkelt het genitale gebied een penis en zaadballen terwijl in de hersenen mannelijke hormonen beginnen te werken. Het lichaam krijgt een mannelijke in plaats van een vrouwelijke vorm.

In tegenstelling tot andere genen is SRY bij verschillende mannen opvallend gelijksoortig - en heel verschillend bij mannetjes van andere soorten. Ook blijkt dat het gen gedurende de 200.000 jaar van de menselijke evolutie weinig is veranderd. Met andere woorden, op het moment van de bevruchting zijn alle ongeboren vruchten vrouwelijk. Of er bij de geboorte een jongetje of een meisje zal zijn, hangt af van het feit of de vrucht een SRY-gen bezit. Lovell-Badge en zijn collega’s bewezen dit in 1991, toen ze een SRY-gen in vrouwelijke muizenembryo’s inlasten. De dieren veranderden van sekse en ontwikkelden zaadballen en andere mannelijke eigenschappen. (502)

  terug naar de Inhoud

86. Een nieuwe materietoestand - Eric Cornell geboren 1961, Carl Wieman geboren 1951
Door Stephen Battersby
Koude materie kan een vreemde verandering ondergaan, waarbij de atomen hun identiteit verliezen en opgaan in een onheilspellende verbinding. Slechts ongeveer de helft van alle materialen kan deze toestand bereiken. Materiedeeltjes die een heeltallige spinwaarde hebben, worden bosonen genoemd. Deeltjes met een halftallige spin (0,5 en 1,5 enzovoort) zijn fermionen. Twee identieke fermionen kunnen niet naast elkaar bestaan. Deze asociale tendens onder elektronen, voorkomt dat gewone materie ineenstort.
Maar bosonen zijn minder afstandelijk - en ze kunnen duidelijk heel liefdevol zijn.

In 1925 berekende Albert Einstein dat een verzameling bosonen die koud genoeg zijn allemaal in dezelfde toestand samenvloeien. Dit Bose-Einsteincondensaat kan een superdeeltje zijn. Men denkt dat dit verschijnsel het weerstandsvrije transport van elektriciteit in supergeleiders veroorzaakt en de wrijvingsloze stroom van supervloeistoffen, die door het kleinste spleetje kunnen sijpelen en zelfs op een ‘wonderbaarlijke’ manier over een hindernis klimmen om een lager niveau te bereiken.
Pas in 1995 werd een Bose-Einsteincondensaat in het laboratorium ontdekt. De Amerikaanse natuurkundigen Eric Cornell en Carl Wieman sloten eerst een ijl gas van rubidium-87 in een fles van magnetische velden op. Rubidium-87-atomen gedragen zich als bosonen, net als ongeveer de helft van alle atomen. De natuurkundigen koelden dit gas af tot minder dan een miljoenste graad boven het absolute nulpunt met behulp van verdamping en een groot aantal nauwkeurig afgestelde laserstralen. Het resultaat was een condensaat: een bizarre deeltjesgolf die de originele rubidiumatomen opnam.
Nu leren natuurkundigen materie als licht te gebruiken. Atoomlasers veranderen een condensaat bijvoorbeeld in een straal coherente deeltjesgolven. Deze golven kunnen vervolgens worden samengebracht en verstrooid met lenzen en buigingsroosters van licht - een omkering van gewone optische instrumenten. Condensaten en atoomlasers kunnen worden gebruikt voor het maken van ultragevoelige atoomklokken of om uiterst kleine elektronische elementen op siliciumchips te stralen. (510)


terug naar het literatuuroverzicht






^