Hoe licht ons leven dag en nacht beïnvloedt

Over de onvermijdelijke lichtheid van ons bestaan…

__________________________________________________________________

” Waarom is het ’s nachts donker? “

__________________________________________________________________

Dat is de vraag waarmee ik mijn studenten in de eerste les van het academiejaar confronteer. “Omdat de zon dan weg is, natuurlijk” en ik zie de studenten naar elkaar kijken dat dit geen al te moeilijk vak zal worden. “Maar wat met al die andere zonnen in het universum? Die schijnen toch ook licht op de aarde.” Ik gooi de bal terug en doe er nog een paukeslag bovenop: “En het licht van tijdens de oerknal, waar is dat naartoe?” Daar ligt alles plat.

Wanneer je er even over nadenkt, wordt de zo vertrouwde nacht echt wel een bizar experimenteel feit. Het vraagstuk gaat al even terug in de tijd en staat gekend als Olbers’ paradox. Opmerkelijk: een belangrijk deel van het antwoord werd voor het eerst geformuleerd door de dichter Edgar Allan Poe. Ik neem het voorbeeld voor mijn studenten – en nu ook voor u – omdat de kern van het antwoord een onderbelicht aspect van onze natuur tentoonspreidt. (Flauwe woordspelingen zijn toegelaten op blogs, zo heb ik horen vertellen. Er komen er nog 2.)

Het antwoord op de vraag is immers dat het helemaal niet donker is ‘s nachts. Licht is overal – ook tijdens de nacht – maar we zien slechts een heel klein deel van al het licht om ons heen. We kunnen dan wel verschillende kleuren onderscheiden van rood naar blauw, maar onze ogen zijn niet aangepast om alle andere “kleuren” (we noemen dit frequenties) waar te nemen.

Dit fundamentele inzicht dat zichtbaar licht een specifieke elektromagnetische golf is, ontstond 150 jaar geleden wanneer James Clerk Maxwell de wetten van de elektriciteit, het magnetime en de optica onder een theorie, het elektromagnetisme, samenbracht. Volgens Richard Feynman een van de grootste veranderingen in de menselijke geschiedenis en daarom ook een van de aanleidingen waarom 2015 door de Verenigde Naties werd uitgeroepen tot the International Year of Light.

Maar je moet als fysisch fenomeen met meer voor de dag komen vooraleer de Verenigde Naties een jaar ter ere van jou uitroepen. En of er meer is …

Onze trouwste bondgenoot

Onze kennis van de allerkleinste bouwstenen van het universum is gebaseerd op de interactie tussen licht en materie, gaande van de eerste atoommodellen tot de subatomaire botsingen die momenteel in het CERN plaatsgrijpen: uiteindelijk wordt er steeds licht opgemeten en wordt de informatie van het experiment uit de verschillende eigenschappen van dit licht geëxtraheerd.

De CMS detector in CERN. De ontdekking van nieuwe subatomaire deeltjes gebeurt via de detectie van licht dat door de deeltjes wordt uitgestraald.

Maar ook op de grootste schaal is licht onze bondgenoot. Van Galileo over Kepler naar Einstein en Hubble: onze kennis van het universum is volledig bepaald door waarnemingen van licht. Het is voor mij nog steeds verbazingwekkend hoeveel informatie wij op onze kleine planeet kunnen verzamelen over ver afgelegen sterrenstelsels dankzij licht, onze interstellaire postbode.

Over interstellaire postbodes gesproken – dit is zonder meer een blogpost op zichzelf waard. Een uit de hand gelopen gedachte-experiment, een publiciteitsstunt of een serieuze poging tot buitenaards contact, je mag het doel wat mij betreft in het midden laten. Feit is dat sinds de jaren ’70 enkele boodschappen op sondes door NASA de ruimte werden ingestuurd. Ook hier speelde licht een belangrijke rol. Hoe kan je immers je eenheden van lengte en tijd meedelen? Buitenaards intelligent leven zal heus geen meters en seconden gedefinieerd hebben. Frank Drake en Carl Sagan, de makers van onze eerste “ruimte-tweet”, bedachten dat je hiervoor best de eigenschappen van licht kan gebruiken. Ze definieerden een lengte- en tijdseenheid aan de hand van de golflengte en de frequentie van een specifieke lichtgolf die uitgestuurd wordt door waterstof – een element dat in overvloed aanwezig is in het universum. Een leuk weetje, dacht ik, maar vooral een belangrijke aanwijzing dat de eigenschappen van licht universeel zijn.

De gouden plaat aan boord van Pioneer 10 en Pioneer 11. Bovenaan links worden lengte- en tijdseenheden gedefinieerd aan de hand van licht dat wordt uitgestraald door een waterstofatoom.

Fotoniquoi?

Onze dialoog met de natuur wordt dus grotendeels bepaald door onze mogelijkheden om licht te genereren, te manipuleren en te detecteren. Sinds de ontdekking van de laser in 1960 is deze wetenschap in een grote stroomversnelling gekomen. Alle wetenschap en technologie van licht wordt voortaan gegroepeerd in het domein van de fotonica. Een discipline die niet vaak in de spreekwoordelijke spotlights staat, maar eerder vele andere domeinen ondersteunt.

 

Telecommunicatie is de bekende toepassing van de fotonica. Maar het is zeker niet de enige…

Om het belang van de fotonica te onderstrepen, lanceerde de Optical Society of America een oproep om te beschrijven wat er mogelijk wordt gemaakt in ons alledaagse leven door licht en licht-gebaseerde technologieën. Ze wilden wellicht horen over telecommunicatie, medische beeldvorming, laserfabricatie, GPS-navigatie en andere hoogstaande technologie. Maar ik vond het vooral een vreemde opdracht. Er is immers geen (dagelijks) leven zonder fotonen.

Ook u bent een fotonicus

Fotosynthese is geen slecht begin. Of, algemener, de bron van alle energie op aarde – zelfs olie is een omgezette vorm van zonne-energie.

Licht acteert niet alleen in de ver-van-uw-bed-show, het bepaalt alle handelingen in ons leven. Dat het je zicht vooruithelpt, zal je niet verbazen. Het feit echter dat elke aanraking uiteindelijk een vertaling is van afstotende elektromagnetisch krachten is vaak minder bekend. Dat onze neuronen elektromagnetische golven transporteren en zo onze bewegingen en gedachten aanvuren, maakt onze verwevenheid met licht helemaal compleet. Die neuronen en alle andere cellen van ons lichaam bestaan overigens uit moleculen en atomen die worden samengehouden door – je raadt het al – fotonen.

De lichtheid van ons bestaan is niet ondraaglijk, ze is onvermijdelijk.