Het Anthropoceen

Op vrijdag 16 maart staat op de publieke website van de Volkskrant een artikel dat de aandacht vestigt op nieuwe wetenschappelijke inzichten die vragen om een totaal nieuw milieubeleid. Het staat er zo: ‘Wetenschappers van de Vrije Universiteit Amsterdam pleiten met een groep toonaangevende wetenschappers in het tijdschrift Science voor een dringende fundamentele verandering van het wereldwijde milieubeleid. Zo'n verandering is nodig om het toenemende aantal milieurampen, zoals overstromingen, voedsel- en waterschaarste en afname van biodiversiteit, het hoofd te kunnen bieden.’ Dat liegt er niet om!

Zo’n artikel moet onmiddellijk onder de aandacht gebracht worden van de politici die het beleid bepalen. Ik zoek het artikel op, op de website van Science. En ik weet al wat er vervolgens gebeurt. Ik mag er niet bij. Het artikel zit achter slot en grendel en alleen abonnees of betalende bezoekers van de website hebben toegang. Welke meerwaarde heeft de redactie van Science opgeleverd voor dit uiterst belangrijke artikel, zodat Science Magazine het eigendom ervan mag opeisen? Geen enkele. Het omgekeerde is het geval: Sciende ontleent gewicht aan de artikelen die er in staan. En de auteurs van die artikelen weer gezag aan het feit dat ze in Science publiceren. Een gesloten systeem, bevredigend voor degenen binnen het systeem. Maar het deugt niet: het staat de disseminatie van wetenschappelijke inzichten, van kennis en daarmee de ontwikkeling van de wetenschap zelf in de weg. Ik roep F. Biermann van de Vrije Universiteit en mede-auteurs op hun artikel ‘Navigating the Anthropocene: Improving Earth System Governance’ publiek toegankelijk te maken, al was het maar door het gewoon op hun website te zetten. Of mag dat niet van Science? Van mij moet het!

Jos Engelen
21 maart 2012
(ook verschenen als ingezonden brief in de Volkskrant van 21 maart)

Zonnepanelen, maar dan anders

De bundelpijp van een ‘opslagring’ als de LHC versneller van CERN moet aan hoge vacuümeisen voldoen. De rondcirkelende protonbundels blijven ‘opgeslagen’ gedurende pakweg 10 uur en draaien elke seconde zo’n 11.000 rondjes van 27 km. De residuele gasdruk moet dus erg laag zijn (‘beter dan op de maan’), anders zou de protonbundel door botsingen met de gasmoleculen snel verloren gaan.

De bundelpijp van de LHC loopt voor een groot deel van de omtrek door supergeleidende

magneten die tot lager dan 270⁰ onder nul worden afgekoeld. Daar is het relatief

eenvoudig om een goed vacuüm te handhaven: restgas vriest eenvoudigweg vast aan de wand. Maar er zijn ook lange, rechte stukken rond de experimentele opstellingen waar de bundelpijp niet door magneten omgeven en ‘warm’ is. Om daar goede vacuümcondities

te handhaven zijn extra maatregelen nodig. En die extra maatregelen zijn mogelijk dank

zij een technologische innovatie. De bundelpijp wordt van de binnenkant bedekt met een

dun laagje materiaal, een ‘coating’ van TiZrV (titanium, zirconium, vanadium). Na

verhitting tot 180⁰   (eenmalig) wordt dit materiaal geactiveerd als ‘getter’: een molecuul dat er

tegenaan botst wordt geadsorbeerd. Deze ‘coating’ verbetert en handhaaft het vacuüm op deze manier aanzienlijk. Voor de LHC niet alleen aanzienlijk maar ook essentieel: de in totaal 5 km lange ‘warme’ bundelpijp zou anders niet op het gewenste vacuüm te brengen zijn. Toen de LHC ontworpen werd waren ‘getter’ materialen al bekend, maar twee wezenlijke innovaties maakten toepassing ervan in de warme bundelpijp mogelijk. Het materiaal (TiZrV) kon opgebracht worden dank zij ‘sputter’ technieken die eerder en voor andere toepassingen (supergeleidende radio-frequente trilholtes voor de LEP-versneller) ontwikkeld waren en, de tweede innovatie, de nieuw gevonden coating hoefde maar tot 180⁰ en niet tot de gebruikelijke 600⁰ verhit te worden.

De onderzoeker die deze vondsten deed is Cristoforo Benvenuti. Hij bedacht ook een toepassing buiten de versnellertechniek. Een even eenvoudige als adembenemende. Vacuüm is een ideale isolator. Dus hij stelde zich een doorzichtig doosje voor, vacuüm, met daarin ‘zwevend’ een zwart plaatje. Straling (licht) die op dat plaatje invalt zal het verwarmen, omdat de straling door het zwarte plaatje geabsorbeerd wordt. (Dat is de definitie van zwart...) En vervolgens kan het plaatje die warmte niet afgeven, omdat het zich in vacuüm bevindt. Het wordt dus steeds warmer. Het wordt heet. Het vacuüm in de doosjes wordt gehandhaafd dank zij de fameuze nieuwe coating. De ‘levensduur’ ervan is 25 jaar!

Met deze technologie heeft een Spaans bedrijf nu een grote zonnepaneel-installatie gebouwd die geplaatst wordt op het dak van de gebouwen van het vliegveld van Genève, groot genoeg om dit te verwarmen in de winter en te koelen in de zomer. Een prachtige ‘demonstrator’. Een mooi voorbeeld van onverwachte ‘transfer’  van technologie die werd ontwikkeld ten behoeve van fundamenteel onderzoek naar een toepassing met potentieel grote economische en maatschappelijke waarde. Een toepassing die naar alle waarschijnlijkheid nooit was gevonden zonder de nieuwsgierigheid naar het gedrag van elementaire deeltjes...

Jos Engelen

14 maart 2012

News

Electrons, the ubiquitous constituents of matter, are very interesting objects of study. The electron was the first elementary particle to be discovered (by J.J. Thomson in 1897)  and today it belongs to the rather exclusive group of the fundamental particles of the Standard Model.

In 1927 Paul Dirac discovered the equation that describes the propagation (in space and time) of electrons. This was a great achievement: his equation incorporated Einstein’s theory of relativity and the principles of quantum mechanics (Bohr, Heisenberg, Schrödinger) at the same time. The Dirac equation had a very remarkable feature. It predicted, in fact it required, that if electrons exist, which is obviously the case, also the anti-particle of the electron should exist, but no such particle was known. Initially this was a problem for Dirac but when the positron was discovered (Anderson, 1933) this problem was solved.

The electron and the positron are distinctly different particles as they have opposite charge. Neutrinos are fundamental particles in many respects similar to electrons and positrons, with one distinct difference: they carry no electrical charge, they are neutral. And this opens the possibility that neutrinos and their

anti-particles, the anti-neutrino’s, are in fact the same particles. This possibility was suggested by Majorana (in a publication of 1937).  In somewhat technical terms, Majorana found a representation of the Dirac equation with real (as opposed to complex) wave functions as a solution. For a particle described by a real wave function the distinction between particle and anti-particle vanishes.

Both electrons and neutrinos carry a quantity called ‘spin’, angular momentum. They carry a spin of ½ unit. Such particles are called fermions. (All fundamental constituents of matter are fermions.) Their quantum-mechanical properties are very different from particles with ‘integer’ spin (bosons). This difference is expressed by the Pauli exclusion principle, it leads for example to electron orbits in atoms and explains the structure and stability of matter.

Whether neutrinos are ‘Dirac particles’ or ‘Majorana particles’ is a valid physics question that has not been answered to date. It is experimentally very difficult to answer this question, but experiments are ongoing. If neutrinos are Majorana particles this has profound consequences for our understanding of the nature of fundamental particles as encoded in the Standard Model.

Whether Majorana particles exist or not in nature remains an open question. Apart from neutrinos, so called neutralinos are candidates as well. Neutralinos appear in extensions of the Standard Model (invoking ‘super symmetry’ between fermions and bosons) but whether Supersymmetry is realized in nature is not at all sure. This is one of the questions the Large Hadron Collider at CERN is trying to answer.

Nature News of February 28, 2012 announces:  ‘Quest for quirky quantum particles may have struck gold’ , Evidence for elusive Majorana fermions raises possibilities for quantum computers. The scientific quality of this news article is rather poor. Although it is published by Nature. But it is a news article. Sensational, that sells. The achievement it describes is impressive, however. Leo Kouwenhoven and his group of Delft University have created a setup to demonstrate, for the first time, the existence of quantum states in a nano-device that are mathematically equivalent to Majorana ferminos as described above. Moreover such devices may be used as ‘quantum bits’ of futuristic quantum computers. Leo Kouwenhoven has produced a scientific result that ranks in a rare category: that of breakthroughs. We will hear more from him!

The question whether neutrinos are Majorana particles or Dirac particles continues to need an answer. Elementary particle physicists will have to continue their experiments to find out. The question whether neutralinos are realized in nature: high energy physics experiments will have to tell.

Meanwhile I will find out more about Majorana states in condensed matter and as soon as Kouwenhoven’s results are available in the Open Access literature I will read more about them with great interest!

Jos Engelen
March 2, 2012

Vallende neutrino's

Afgelopen week publiceerde CERN het persbericht dat er een losse kabel en een niet goed functionerend elektronisch circuit waren gevonden in de apparatuur van het OPERA experiment. OPERA is opgesteld in Gran Sasso en vangt neutrino’s op die op CERN, 730 km ‘stroomopwaarts’ worden weggeschoten. Een aantal maanden geleden publiceerde OPERA een voorlopig resultaat dat de wereld op zijn kop zette: de neutrino’s legden de weg van CERN naar Gran Sasso af met een snelheid groter dan die van het licht. ‘Meten is weten’ zei Kamerlingh Onnes ooit. Het is een waardig adagium voor de experimentele natuurkunde. Maar ‘meten’ is pas ‘weten’ als de meting correct is. Toen Sam Ting en zijn groep in 1974, toevallig het J/psi deeltje vonden en daarmee een nieuwe quark (‘charm’ of ‘tover’) publiceerden ze dat pas na een hele serie, ook gepubliceerde, tests om zich ervan te overtuigen dat het waargenomen signaal geen instrumentele artefact was.

Als er een wereld is aan gene zijde van de lichtsnelheid dan moet er voor die wereld een nieuwe natuurkunde worden uitgevonden. En moet er een verband tussen de veilige wereld die Einstein voor ons ontdekt heeft en die nieuwe wereld zijn. Pas als de lichtsnelheid niet de ultieme snelheid in de natuur blijkt te zijn is er een dwingende reden naar die nieuwe natuurkunde op zoek te gaan. OPERA heeft daarom een grote verantwoordelijkheid op zich geladen door een voorlopig resultaat te publiceren dat nu prematuur lijkt te zijn. Ondanks het feit dat er open is gecommuniceerd en er voortdurend gewaarschuwd is dat er onafhankelijke bevestiging van de meting nodig was, overheerst toch het beeld van ‘knulligheid’. Vanwaar de haast? Het achtuurjournaal van de NOS meldde dat CERN een eerder aangekondigd spectaculair resultaat had ingetrokken. Daarbij werden beelden getoond van de Large Hadron Collider en de experimenten die op zoek zijn naar het Higgs boson! Het neutrino-experiment lijkt daardoor de reputatie te beschadigen van de top-experimentatoren die met grote competentie en creativiteit het net om het Higgs-boson proberen te sluiten. Ook hier heeft CERN veel te vroeg de publiciteit gezocht door speculaties te voeden over wat er eventueel al in het net zit. Komend jaar wordt het net opgehaald. En dan zullen we het weten. Want meten is weten.

Jos Engelen
26 februari 2012

Fraude in de wetenschap

Het artikel ‘Op zoek naar zonden’ in de NRC van 14 januari presenteert een statistische inventarisatie van wetenschappelijke misstappen door in Nederland werkzame wetenschappers. Het artikel is gebaseerd op de journalistieke methode. Noodzakelijk anekdotisch, maar feitelijk correct. Anekdotisch zijn ook de commentaren van wetenschappers en bestuurders die in het artikel aan het woord komen. In aanvulling op die commentaren wil ik hier mijn rotsvaste vertrouwen in de kracht van de wetenschap zelf uitspreken: door geknoei tot stand gekomen ‘resultaten’ zullen nooit en te nimmer standhouden. Om misverstanden te voorkomen: ik bagatelliseer het geknoei niet en ik verdedig de knoeiers niet. Maar dat we met zijn allen, misleid door knoeiers ten prooi zouden vallen aan pseudo-wetenschap: het kan niet, letterlijk niet.

Wetenschap gaat om het vinden van feiten en verbanden, het presenteren van vernieuwende inzichten; het trekken van conclusies gebaseerd op de wetenschappelijke methode. Objectiviteit, verifieerbaarheid en reproduceerbaarheid zijn wezenlijke kenmerken van die methode. Het verzinnen van data, bijvoorbeeld, kan daarom niet. Letterlijk niet.

In dezelfde krant van 14 januari staat een recensie van ‘Ik was altijd heel slecht in wiskunde’, een boek van Jeanine Daens en Ionica Smeets. Daarin wordt verteld over het bewijs van het vermoeden van Kepler. Het vermoeden beschrijft de meest efficiënte wijze om bollen (‘sinaasappelen’) te stapelen. Hoe stapel je de sinaasappelen zo dat de ruimte zo efficiënt mogelijk benut wordt? Het ‘vermoeden’ is intuïtief heel aannemelijk, het bewijs werd pas eeuwen later geleverd na een enorme inspanning. En de onafhankelijke verificatie van het bewijs vergde weer een enorme inspanning. Dit is voor mij een prachtige illustratie van hoe wetenschap werkt. Van creatief idee, via een briljant en in elk geval degelijk onderzoek, via onafhankelijke verificatie (‘reproduceerbaarheid’) tot een resultaat. Het is niet altijd zo ‘gemakkelijk’ als in de wiskunde, maar de wetenschappelijke methode is generiek. Het begrijpen van de opwarming van de aarde, het wetenschappelijk onderzoek naar duurzame energievoorziening, naar het wezen van de zwaartekracht of het bestaan van het Higgs boson, etc.: het is niet af, er zijn debatten mogelijk over de tussenstand, verhitte debatten; maar uiteindelijk staat de wetenschappelijke methode garant voor het vinden van de objectieve waarheid en niet voor het promoten van een opvatting en al helemaal niet voor frauduleuze misleiding.

Jos Engelen
23 januari 2012

Big Science

The Technical University Delft (TUD) had the good foresight to award a honorary degree to Andre Geim in 2009, one year prior to the Nobel Committee’s decision to honor him with the Nobel Prize in Physics for his experiments on graphene. I attended the ceremony in Delft and I also was a guest at the dinner in Geim’s honor the same evening. It was one of those dinners with the seating arrangement changing half way through. Should you be stuck in boring company, you get a second chance. My wife and I in fact were in very pleasant and interesting company. One of the other honorary doctors, Wybren Jouwsma, told us about his adventures in ‘high tech’ industry (he had founded a very successful company; the ‘very successful’ is my addition, he is too modest to make such statements). In particular he told us about his interactions with CERN, the European laboratory for particle physics near Geneva. He was very enthusiastic about the orders he had won for delivering ‘flow meters’ with specifications so challenging that they were just beyond what he could make. But, working with the engineers at CERN, he had managed to reach the required specifications. And subsequently he had the business. And his, then still young company, an expertise that it did not have before.

After the second course or so we moved to another table and had the honor to be seated at the table of Andre Geim. In an attempt to make conversation – with hindsight that is absolutely superfluous in Geim’s presence – I referred to a colleague, a common acquaintance I presumed, at the University of Manchester, Geim’s university. This colleague is a high energy physicist, like myself. This led Geim to a long tirade about high energy physics. Expensive, big equipment, massive; involving large groups of scientists, for that reason probably not very good ones, Geim asserted. If you could not find ‘the Higgs’ on a table top you were either stupid, or it was not worthwhile to look for it. My attempt to make conversation had failed. If you consider conversation an interactive process involving at least two people, that is.

The status reports on the search for the Higgs boson, presented at CERN recently, December 2011, have drawn a very great deal of attention. Somewhat surprising perhaps and certainly prematurely. But the achievement to be celebrated already now, is not small. Technology and science have made a giant leap forward to bring us where we are today. We will, with certainty know how much the Higgs boson weighs and begin to explore what its properties are within a year from now. That is Progress with a big P. These results are going to be part of mankind’s heritage. (And if the Higgs boson is not found, it means that it does not exist. This is not a trivial statement! It means that we have to go back to the very foundations of physics.)

The status of the ‘Higgs search’ has also received much attention, certainly for a scientific topic, in the news media. This attention is stimulating and heartwarming for scientists in general and for those who are actually involved in the Higgs programme in particular. Our Dutch national institute for particle physics (NIKHEF) has been deeply involved in this programme from the days it was defined. It can, rightly, claim to be part of the success. Its scientists play leading roles in the multinational endeavor that is required to make this ‘big science’ project possible. And they are very active in deciphering the messages Nature has hidden in the data that are now being analyzed.

I hope they find the recognition they deserve, after years of hard and very innovative work. In large international collaborations, yes, but not anonymously, no. At the pursuit of great science. And perfectly capable of explaining to the world what they find and how they did it. Such that also critical observers like Andre Geim will be able to share in their enthusiasm!

Jos Engelen

23-12-2011

De kleren maken de man?

Verbonden aan de Universiteit van Amsterdam hoorde ik, jaren geleden, dat collegevoorzitter Jankarel Gevers gesuggereerd had een beroemd oud-voetballer, oud-ajacied, te benoemen tot hoogleraar. Jankarel was zijn tijd ver vooruit. Wim de Bie en Youp van ’t Hek zijn onlangs benoemd tot hoogleraar Satire aan de Universiteit Tilburg, respectievelijk Cultural Professor aan de Technische Universiteit Delft.

De Nederlandse universiteiten hebben het niet gemakkelijk. Ze moeten in hun opleidingen-aanbod wieden. Ze moeten beter samenwerken. Ze moeten efficiënter werken. Dat zijn belangrijke opdrachten, daar heb je als College van Bestuur je handen aan vol. Het rapport van de commissie Veerman over het toekomstbestendig maken van het Nederlandse hoger onderwijs; het bereiken van een akkoord hierover met staatssecretaris Zijlstra; het inpassen van het economische topsectorenbeleid van het kabinet in de wetenschappelijke onderzoekagenda; de positie op allerlei mythische ‘rankings’ – die van de Times, die uit Shanghai, die van Leiden; de beknelling van de Balkenende-norm: het leven van een universiteitsbestuurder is vol zorgen. Toenemende studentenaantallen, afnemende budgeten. Diepgang moet worden versterkt en pretstudies moeten worden opgeheven.

Wim de Bie en Youp van ’t Hek gaan de helpende hand bieden.

Er zijn nog twaalf universiteiten. Wie worden daar benoemd? Freek de Jonge hoogleraar Prediken in Leiden. Dolf Jansen hoogleraar Spreektechniek in Twente. Najib Amhali hoogleraar Europese studies in Maastricht. En dan zijn er nog negen vacatures te vullen. Ook Jörgen Raymann, Paul Sibbel, Paul de Leeuw, Raoul Heertje, Jan Jaap van der Wal verdienen een plaats. Waar en in wat? Zijn we nog iemand vergeten? Misschien heeft U suggesties voor de andere universiteiten?

Wim de Bie en Youp van ’t Hek, allebei briljant, twee katten die in hun nieuwe academische omgeving op het spek worden gebonden. Of worden ze door de toga getemd?

Jos Engelen

3-12-2011