De kunst van het verwonderen: de natuur volgen en veranderen
Nevelkamer
Cyrus Mody (vertaling Daria Mody)
Romantiek
De nevelkamer bracht romantiek in de wetenschap en wetenschap in de romantiek. De uitvinder van de nevelkamer zocht verwondering en inzicht in de bergen, en probeerde de ervaring van de nevel rond de toppen in een glazen doosje te vangen. Onbedoeld kreeg hij zo voor het eerst zicht op de subatomaire wereld.
Bescheiden begin
Die uitvinder van de nevelkamer was Charles Thomas Rees Wilson (1869-1959), de achtste zoon van een Schotse schapenboer die stierf toen Wilson nog maar vier jaar was. Ondanks Wilson’s bescheiden achtergrond kreeg hij een beurs om in Cambridge te studeren. Hij koos daar voor natuur- en wiskunde. Wilson hield ook van wandelen in de natuur en maakte dan graag foto’s. Hij droeg zijn camera de Schotse bergen op en af om romantische, mistige rotsen en kloven vast te leggen. Een carrière lang combineerde Wilson wetenschap met zijn liefde voor spectaculaire landschappen en mysterieuze weersomstandigheden.
Spectaculair weer
In 1894 en 1895 werkte Wilson als vrijwilliger bij het observatorium op de Ben Nevis, de hoogste berg van Schotland. Hij hielp het personeel bij het meten en bekijken van bijzondere weersverschijnselen. Veel van deze verschijnselen hebben sprookjesachtige namen die iets bovennatuurlijks suggereren: “Glories” (gekleurde lichtkransen), St. Elmsvuur, Brockenspook, Heiligenschijn of maanbogen. Na zijn vrijwilligerswerk ging Wilson doceren aan het Cavendish Laboratorium in Cambridge. In zijn vrije tijd knutselde hij aan een apparaat dat de magische sfeer zou kunnen doen herleven die hij op de Ben Nevis had ervaren.
Een wolk in een doosje
Het resultaat was de nevelkamer. Lucht en water worden in een gesloten glazen holte met elkaar gemengd. Aanvankelijk is het water een gas. Maar als de holte groter wordt gemaakt, verandert het water in een vloeistof. In de nevelkamer die hier staat, gebeurt dit door aan de zwarte knop te trekken. Geleidelijk condenseert de waterdamp en vormen zich druppeltjes die in de lucht blijven hangen, een wolk dus. Maar de waterdamp condenseert niet onmiddellijk. Daar is nog iets extra’s voor nodig.
Een verrassing
Wanneer een geladen deeltje de nevelkamer passeert, ioniseert het de watergas-moleculen erachter. De ionen veroorzaken het condenseren van de waterdamp. Eén onzichtbaar deeltje laat dus een opvallend zichtbaar spoor achter. Daarmee ontdekte Wilson dat zijn uitvinding niet alleen kan worden gebruikt om wolken te simuleren, maar ook om deeltjes te bekijken.
In de hand van anderen
Wilson’s Cambridge-collega’s accepteerden zijn uitvinding voor deeltjesfysica gretig. De nevelkamer was het eerste apparaat om zulke deeltjes te zien. Het kon ook hun massa en lading goed meten. Een spin-off bedrijf van het Cavendish lab, de Cambridge Scientific Instrument Company, begon in 1913 nevelkamers te verkopen. Veel van deze commerciële versies werden verkocht aan scholen voor wetenschappelijk onderwijs, niet voor het onderzoek.
De nevelkamer in Centre Céramique
De nevelkamer van Centre Céramique werd waarschijnlijk ook gebruikt op scholen, omdat hij te klein is om de sporen van deeltjes nauwkeurig te meten. Bovendien is hij niet handig voor onderzoek omdat de aangebouwde vacuümpomp niet geschikt is om druppeltjes langdurig in de lucht te houden. Zien is snappen voor leerlingen. Met de nevelkamer zouden leraren wetenschap weer spannend en inspirerend kunnen maken.
Chladni platen
Joeri Bruyninckx
Geluiden zien
We weten dat we geluiden kunnen horen. Maar kunnen we ze ook zien? Musici, filosofen en wetenschappers wisten al langer dat geluid zich verspreidt door vibraties. Maar het was de amateur instrumentbouwer Ernst Florens Friedrich Chladni (1756-1827) die dit wist aan te tonen, met een zelf uitgevonden instrument. Hij bestrooide een metalen plaat met fijn zand en bespeelde deze met een strijkstok. Door de vibraties ontstonden bijzonder geometrische ster-figuren. Door zijn ideeën en spectaculaire demonstraties werd Chladni zelf een wetenschappelijke superster.
Een muzikale wetenschap
Tegen zijn vader’s wil besloot de jonge Chladni om zijn interesse in de natuurwetenschappen te volgen. Al snel doceerde hij in de akoestiek, of de wetenschappelijke studie van geluid. Deze wetenschapstak was voornamelijk wiskundig en theoretisch. Maar Chladni was opgegroeid in een middenklasse gezin net voor de Franse Revolutie, waarin actieve beoefening van de kunsten en muziek met de paplepel werd ingegeven. Chladni gebruikte deze vaardigheden om met bestaande theorieën te experimenteren en te doceren aan zijn studenten. Chladni’s platen illustreren hoe, zeker in het geval van geluid en muziek, wetenschap en kunst steeds nauw met elkaar verweven waren.
Wiskundig bewijs
Chladni’s platen boden een nieuwe manier om het complexe gedrag van geluidsgolven te bestuderen. Maar zijn bevindingen waren moeilijk wiskundig te verklaren. Verscheidene wetenschappelijke genootschappen, waaronder het Bataviaasch Genootschap van Kunst en Wetenschappen, schreven wedstrijden uit waarin een wiskundig bewijs werd gezocht. Na zes jaar en vele mislukte pogingen werd de hoofdprijs uiteindelijk toegekend aan de Franse wiskundige Sophie Germain. Dat was aanvankelijk niet van harte: als vrouw was zij namelijk een buitenbeentje in de wetenschap van die tijd. Germain’s bewijs leverde haar een kilogram goud (en een posthuum diploma) op. Chladni bracht het internationale roem.
Internationaal spektakel
In de jaren die volgden trok Chladni Europa rond om zijn werk te demonstreren en te vertalen voor een internationaal publiek. Hij gebruikte zijn kennis van akoestiek ook om een aantal nieuwe muziekinstrumenten te ontwikkelen, zoals de glasharmonica en de clavicylinder. Publieken in Duitsland, Frankrijk en de Nederlanden betaalden maar al te graag voor de spectaculaire demonstraties en concerten van deze gewiekste zakenman. Na een demonstratie vroeg Napoleon Bonaparte ooit of hij in één van de instrumenten mocht kijken, maar dat liet Chladni niet toe. Hij vreesde dat het ontwerp gekopieerd zou worden, of dat het de nieuwsgierigheid van zijn publiek zou temperen. Gelukkig bood Napoleon hem alsnog 6000 franken om zijn werk in het Frans te vertalen.
Tijdloze aantrekkingskracht
Chladni’s platen weten geluid te visualiseren op een manier die zowel leerzaam als mooi is, en dat verklaart hun aantrekkingskracht tot vandaag de dag. Zo trokken ze zowel wetenschappers en leken aan. Ze inspireerden anderen om geluid experimenteel te bestuderen—niet alleen puur voor de wetenschap, maar ook om bijvoorbeeld muziekinstrumenten (zoals violen, orgels en kerkklokken) verder te perfectioneren. Zelfs vandaag blijven Chladni’s figuren het publiek verbazen, in college- en concertzalen.
Heliostaat
Veerle Spronck
Zonnestilstaander
Dit merkwaardige instrument is een heliostaat, ook wel een ‘zonnestilstaander’ genoemd. De heliostaat werd uitgevonden aan het begin van de 18e eeuw als hulpmiddel in natuurkundige laboratoria. Er waren nog geen sterke lampen beschikbaar, maar wetenschappers hadden wel vaak behoefte aan een felle lichtbron als er optische proeven werden uitgevoerd, waarbij er langdurig licht door bijvoorbeeld een prisma of lens geschenen moest worden. De heliostaat was de oplossing. Het instrument weerkaatst het zonlicht met behulp van de spiegel bovenop naar één punt. Door de ingebouwde klok, op te winden met het gouden sleuteltje, draait het instrument mee met de stand van de zon, waardoor het licht telkens in dezelfde richting wordt gereflecteerd. Met behulp van de heliostaat konden wetenschappers dus ongestoord experimenteren.
Voorbij het laboratorium
Het instrument dat je hier ziet werd begin 1900 gemaakt door de firma Max Kohl. Dat bedrijf produceerde wetenschappelijke instrumenten die betaalbaar waren voor een breed publiek. Deze heliostaat is waarschijnlijk niet gebruikt in het laboratorium, maar tijdens natuurkundelessen op school. Toch is het instrument niet alleen van historische waarde; de heliostaat heeft tegenwoordig nieuwe technologische toepassingen gekregen. Vandaag de dag worden er computergestuurde versies van de heliostaat gebruikt om zoveel mogelijk daglicht op te vangen tijdens het opwekken van zonne-energie. Heb je wel eens door het Maankwartier in Heerlen gewandeld? Daar heeft kunstenaar Michiel Huisman een heliostaat gebruikt om ervoor te zorgen dat er op elk moment daglicht binnenvalt, zelfs in de ondergrondse parkeergarage.
Een instrument voor reflectie
Huisman is niet de enige kunstenaar die geïnspireerd raakte door de heliostaat. De Deense kunstenaar Olafur Eliasson maakte in 2017 de ‘World Illuminator’. Het kunstwerk bestaat uit een grote spiegel die, gestuurd door software, meebeweegt met de zon – een moderne heliostaat dus. Opvallend is alleen dat deze heliostaat geen praktische functie heeft. In zijn werk maakt Eliasson het publiek graag bewuster van de relatie tussen mens en aarde: hoe verhouden wij ons tot de wereld om ons heen? In dit werk wordt de heliostaat een instrument voor reflectie. Het kunstwerk nodigt de bezoeker uit om stil te staan bij het feit dat het niet de zon is die ronddraait en dus op zijn plek gehouden wordt door de heliostaat, maar onze aarde.
Wetenschap, technologie en kunst
De geschiedenis van de heliostaat laat zo zien hoe wetenschap, technologie en kunst met elkaar verweven zijn. Technische instrumenten bouwen voort op wetenschap of maken wetenschap juist mogelijk. Kunstenaars vinden verrassende toepassingen voor zulke instrumenten en bieden daarmee een nieuwe blik op de wereld. Een ding als de heliostaat is een soort reisleider die zich van de grenzen tussen kunst, techniek en wetenschap niets aantrekt, maar ons als het ware voordoet hoe die werelden van elkaar kunnen leren.
Art and Wonder: Transforming and Tracing Nature
Cloud Chamber
Cyrus Mody
Romantic
The cloud chamber is science at its most romantic. Its inventor sought wonder and enlightenment by traveling to the mountaintop, and replicated that experience by creating clouds in a glass box like the one pictured here. By accident, though, the cloud chamber opened the door to a different realm of awe and mystery: the quantum world. With the cloud chamber, physicists could visually record subatomic particles that until then had only revealed their presences indirectly and invisibly.
Humble beginnings
The cloud chamber’s inventor was Charles Thomas Rees Wilson (1869-1959), eighth son of a Scottish sheep farmer who died when Wilson was four. Despite his modest background, Wilson obtained a scholarship at Cambridge to study natural sciences. He also became an avid amateur photographer and outdoorsman, hauling his camera up and down Scottish mountains to take pictures of crags romantically shrouded in mist. For the rest of his career, he combined science with his passion for spectacular scenery and mysterious weather.
Spectacular weather
In 1894 and 1895, Wilson volunteered at the observatory on Ben Nevis, Scotland’s highest mountain. There, he helped observatory staff monitor unusual meteorological, electrical, and optical phenomena with fairy tale names evocative of the supernatural: glories, St. Elmo’s fire, the Brocken spectre, Heiligenschein, moonbows. Afterwards, Wilson took a teaching position at Cambridge’s Cavendish Laboratory. In his spare time, he started building an apparatus that would replicate the magical atmospheric effects he had seen on Ben Nevis under controlled, laboratory conditions.
Cloud in a box
The result was the cloud chamber: in a sealed transparent cavity, air and water are mixed at a temperature and pressure where water is a gas. Then, the cavity expands so that the pressure drops. In the Centre Céramique example this is done by pulling the black bulb away from the chamber. At the new, lower pressure, the water vapour will eventually condense to form liquid droplets suspended in air—that is to say, a cloud. However, condensation does not begin immediately but needs some external intervention.
A surprise
Here, Wilson discovered an unexpected use for his invention. As a charged particle such as an electron passes through the cloud chamber, it ionizes gas molecules along its path. Those ions initiate condensation of water vapour in the speeding particle’s wake. Thus, one invisibly tiny particle leaves behind it a strikingly visible track of little clouds.
In others’ hands
Wilson’s Cambridge colleagues enthusiastically adopted his invention for studying subatomic particles.The cloud chamber provided the first means of visualizing such particles, and an effective tool for measuring their charge and mass.A Cavendish spin-off, the Cambridge Scientific Instrument Company, began selling cloud chambers in 1913. Notably, many commercial versions were sold to schools for science lessons rather than research.
Centre Céramique’s Cloud Chamber
The Centre Céramique example was probably also used for teaching, since it is too small for accurate measurement of particle trajectories, and the attached vacuum pump is inefficient for continual renewal of the water droplets. For students, seeing is believing; for teachers, showing students how subatomic particles move through the cloud chamber must have been a compelling way to make science inspiring and memorable.
Chladni Plates
Joeri Bruyninckx
Seeing sound
We know we can hear sounds, but can we see them too? Musicians, philosophers and scientists had long known that sound propagates through vibrations. But it was the amateur instrument-maker Ernst Florens Friedrich Chladni (1756-1827) who found a way to demonstrate how, with an instrument of his own invention. He sprinkled a metal plate with fine sand and played it with a violin bow. He discovered that its vibrations produced the most spectacular geometric star-shapes. His ideas and demonstrations soon turned him into a scientific superstar himself.
Musical science
Against the will of his father, the young Chladni pursued his interest in natural science and began lecturing in acoustics—the scientific study of sound. The science of sound had mainly been mathematical and theoretical. But Chladni was raised in a middle-class family around the time of the French Revolution, with an active love for art and music. He turned to this skill with the violin bow to try out existing theories by experimental means and to demonstrate them in the lecture hall. Chladni’s plates illustrate how, especially in the case of sound and music, science and art were always closely entwined.
Mathematical proof
Chladni’s plates provided new ways for studying the complex behaviour of vibrating waves. But his findings proved difficult to turn into a mathematical theory. To find such theory, several national scientific institutions, including the Batavian Society of Arts and Sciences in the Netherlands, organized contests. After six years and many failed attempts, the prize was awarded (if somewhat grudgingly) to the French mathematician Sophie Germain. She had been considered a scientific outsider on account of her sex. If Germain’s proof earned her a kilogram of gold (and a posthumous degree), it also confirmed Chladni’s international fame.
International spectacle
Chladni lived a nomadic life, travelling across Europe to exhibit his inventions and translate his scientific works for an international audience. He also used his knowledge of acoustics to invent a number of new musical instruments, such as the glass harmonica and the clavicylinder. A cunning salesman, he performed experiments and played music to fee-paying audiences in Germany, France and the Low Lands. When Napoleon Bonaparte once asked for permisison to look inside one of his instruments, Chladni kindly declined, for fear its design would be stolen, or at least temper his audience’s curiosity. Nonetheless, Napoleon paid him 6000 francs to translate his ideas on acoustics into French.
Timeless attraction
The attraction of Chladni’s plates is that they visualize vibrations in ways that are both instructive and beautiful. As such they attracted interest by scientists and lay persons alike. They inspired others to study sound experimentally, not just for the sake of science but also to improve upon the design of musical instruments, such as violins, organs and churchbells. Today, Chladni’s figures continue to amaze audiences in lecture and concert halls.
Heliostat
Veerle Spronck
Sun stationary
This remarkable instrument is a heliostat, which literally translates as ‘sun stationary’. The heliostat was invented in the early eighteenth century as a tool in the laboratories of natural scientists.There were no bright lights available, but researchers did need light when conducting optical experiments, for example to shine through a prism or a lens for a prolonged period of time. The heliostat was the solution. This instrument reflects sunlight to a point of choice with the help of the plane mirror on top. By means of a built-in clock, you can wind it up with the gold key; the heliostat turns with the sun, so that the light is always reflected in the same direction. This made it possible for scientists to do more sustained experiments.
Beyond the laboratory
The instrument you see here was produced by the Max Kohl company in the early 1900s.This company produced affordable versions of scientific instruments for a wide public. This heliostat was probably not used in a laboratory, but for teaching physics at school. This tool does not just have historical value, however, for it has become integrated into ongoing technological developments. Today, computer-controlled versions of the heliostat are used to capture as much daylight as possible while generating solar energy. In the new Maankwartier, in the Dutch city of Heerlen, artist Michiel Huisman used a heliostat to ensure that daylight enters the entire complex, even the underground parking garage.
An instrument for reflection
Huisman is not the only artist inspired by the heliostat. In 2017, the Danish artist Olafur Eliasson created the “World Illuminator”. This artwork consists of a large mirror, controlled by software, that moves with the sun— a modern heliostat. What is striking about this instrument, however, is that it has no practical function. Through his artistic work, Eliasson wants to make the public more aware of the relationship between humans and the earth: how do we relate to the world around us? In this work, the heliostat becomes an instrument for reflection. The artwork invites the visitor to reflect on the notion that perhaps instead of the sun our fragile earth should be stationary, remain in place.
Science, technology and art
The history of the heliostat shows how science, technology and the arts are interrelated. Technological instruments build on science or enable scientific practices. Artists find surprising applications of such instruments and use them to offer a new perspective on the world. As such, an object like a heliostat functions as a reminder that the worlds of art, technology and science can learn from each other, rather than that their boundaries or differences are stressed.
