..

..

..

..

..

..

..

Helen Czerski

..

Ober, er zit natuurkunde in mijn soep

..

Natuurkunde begrijpen aan de hand van het dagelijks leven

.

Oorspronkelijke titel Storm in a Teacup: The Physics of Everyday Life

© 2016 Helen Czerski

Nederlandse vertaling

© 2017 Maven Publishing B.V., Amsterdam / Ineke van den Elskamp

..

www.mavenpublishing.nl

..

Ontwerp omslag Moker Ontwerp

Foto auteur Johnny Ring

Verzorging ePub Michiel Niesen, ZetProducties

Drukwerk Wöhrmann B.V.

..

isbn 978 94 9249 319 4

nur 320

..

Alle rechten voorbehouden.

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke wijze en/of door welk ander medium ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

.

Voor mijn ouders,

Jan en Susan

.

Tijdens mijn studie bereidde ik me een keer bij mijn oma thuis voor op een tentamen natuurkunde. Oma, een nuchtere noorderling, was onder de indruk toen ik haar vertelde dat ik leerde hoe atomen in elkaar zaten.

‘O,’ zei ze, ‘en wat kun je dan doen als je dat weet?’

Dat is een bijzonder goede vraag.

Voorwoord

We leven op de rand, op de grens tussen de planeet aarde en de rest van het universum. In een onbewolkte nacht kunnen we de talloze heldere sterren bewonderen, die onveranderlijk en trouw aan de hemel staan, bakens die uniek zijn voor onze plaats in het heelal. Alle menselijke beschavingen hebben de sterren gezien, maar niemand heeft ze aangeraakt. Ons huis hier op aarde is het tegenovergestelde: rommelig, veranderlijk, bruisend van nieuwigheid en vol dingen die we elke dag aanraken en beetpakken. Hier moet je zijn als je wil weten wat het geheim van het universum is. In de fysische wereld vind je een verrassende variëteit, die ontstaat doordat dezelfde principes en dezelfde atomen op allerlei manieren worden gecombineerd, met talloze resultaten als gevolg. Maar die diversiteit is niet willekeurig. Onze wereld zit vol patronen.

Als je melk in je koffie schenkt en die een keer snel omroert, zul je zien dat er een draaikolk ontstaat, een spiraal van twee vloeistoffen die om elkaar heen draaien, maar elkaar nauwelijks raken. Die spiraal in je koffiekopje verdwijnt al na een paar seconden, als de twee vloeistoffen volledig met elkaar zijn vermengd. Maar in die paar seconden wordt duidelijk dat vloeistoffen niet meteen in elkaar vloeien, maar zich in prachtige wervelende patronen met elkaar vermengen. Dit patroon kun je ook elders zien, om dezelfde reden. Als je uit de ruimte op de aarde neerkijkt, zie je vaak vergelijkbare draaikolken in de wolken. Die wervelingen ontstaan doordat warme en koude lucht om elkaar heen walsen en zich niet direct met elkaar vermengen. Hier, in West-Europa, komen ze regelmatig vanuit het westen over de Atlantische Oceaan aanzetten en zijn ze de oorzaak van ons notoir wisselvallige weer. De wervelingen ontstaan op de grens tussen koude poollucht in het noorden en warme tropische lucht in het zuiden. De koele en de warme lucht zitten elkaar achterna in cirkels, en je kunt het patroon duidelijk zien op satellietbeelden. We kennen deze draaikolken als depressies of cyclonen, en we krijgen te maken met een snelle afwisseling tussen wind, regen en zonneschijn wanneer de armen van de spiraal passeren.

Een ronddraaiende storing heeft op het eerste gezicht weinig gemeen met een omgeroerd kopje koffie, maar het is niet alleen toeval dat de patronen zoveel op elkaar lijken. Die gelijkenis wijst op iets fundamentelers. Achter beide patronen zit een systematische basis voor al dit soort formaties, een basis die is ontdekt, onderzocht en getest in nauwgezette experimenten, uitgevoerd door verschillende generaties. Dat ontdekkingsproces is wetenschap: het voortdurend verfijnen en testen van onze kennis, naast het zoeken, waarbij weer andere dingen aan het licht komen die we nog niet begrijpen.

Soms is een patroon op een andere plaats makkelijk te herkennen. Maar soms zit het verband iets dieper verstopt, zodat het des te bevredigender is als het uiteindelijk duidelijk wordt. Je verwacht bijvoorbeeld niet dat schorpioenen en fietsers veel met elkaar gemeen hebben. Maar ze maken allebei gebruik van hetzelfde fysische verschijnsel om te overleven, zij het op de tegenovergestelde manier.

In de Noord-Amerikaanse woestijn zijn de nachten zonder maan koud en stil. Alleen het zachte licht van de sterren valt op de grond, en je kunt je haast niet voorstellen dat je er iets kunt vinden. Maar uitgerust met een speciale zaklantaarn kun je in die duisternis op zoek gaan naar iets heel bijzonders. Je hebt een zaklantaarn nodig die ultraviolet licht geeft, licht dat wij mensen niet kunnen zien. Als de lichtstraal over de grond schijnt, kun je niet precies zeggen waar hij op gericht is omdat hij onzichtbaar is. Dan licht er iets op en verschijnt er in de duisternis van de woestijn een opgeschrikte, wegvluchtende, griezelige, helder blauwgroene flard. Dat is een schorpioen.

Zo gaan liefhebbers op zoek naar schorpioenen. De zwarte arachniden hebben pigmenten in hun exoskelet die het voor mensen onzichtbare ultraviolet licht opnemen en zichtbaar licht teruggeven. Het is een bijzonder slimme truc, hoewel je er waarschijnlijk minder van gecharmeerd zult zijn als je bang bent van schorpioenen. Deze lichttruc wordt ‘fluorescentie’ genoemd. Men neemt aan dat de blauwgroene gloed van de schorpioen een evolutionaire aanpassing is waardoor het dier in de schemering de beste schuilplaatsen kan vinden. Ultraviolet licht is er altijd, maar in de schemering, als de zon net achter de horizon is gezakt, is het zichtbare licht grotendeels verdwenen en blijft alleen het ultraviolette licht over. Zolang de schorpioen onder de blote hemel is, zal hij in de schemering dus licht uitstralen en valt hij op omdat er verder vrijwel geen blauw en groen licht is. Als er maar een stukje van zijn lijf uit zijn schuilplaats steekt, neemt hij zijn eigen gloed waar en weet hij dat hij zich beter moet verstoppen. Het is een elegant en effectief signaleringssysteem – althans dat was het totdat er mensen kwamen met ultraviolette zaklantaarns.

Gelukkig voor de arachnofoben onder ons hoef je niet in een woestijn met schorpioenen te zijn om fluorescentie te zien. Je kunt het verschijnsel ook waarnemen op een druilerige ochtend in de stad. Kijk maar eens naar veiligheidsbewuste fietsers: hun jassen steken ongewoon fel af bij de omgeving. Het lijkt of ze licht geven, en dat doen ze ook. Op bewolkte dagen houden de wolken het zichtbare licht tegen, maar er komt nog een heleboel ultraviolet licht doorheen. De pigmenten in de jassen nemen het ultraviolette licht op en geven zichtbaar licht terug. Het is exact dezelfde truc als die van de schorpioenen, maar met het tegenovergestelde doel. De fietsers wíllen juist licht uitstralen, want daardoor vallen ze meer op en lopen ze minder gevaar. Deze vorm van fluorescentie krijgen we gratis en voor niets: we zijn ons niet bewust van het ultraviolette licht, dus schieten we er niets bij in als het wordt omgezet in iets wat we kunnen gebruiken.

Dat er zoiets als fluorescentie bestaat, is op zich al fascinerend, maar het mooiste vind ik dat zo’n fysisch juweeltje niet enkel een interessant gegeven is; het is een hulpmiddel dat je altijd bij de hand hebt. Het kan overal van pas komen. Dit fysische verschijnsel helpt zowel de schorpioen als de fietser om te overleven. Het zorgt er ook voor dat tonic licht geeft onder ultraviolet licht, omdat de kinine in tonic fluorescerend is. En het is het geheim achter het wonder van witmakers in wasmiddelen en van markeerstiften. Houd dat in gedachten als je weer eens een gemarkeerde alinea ziet: de inkt van de markeerstift doet ook dienst als detector van ultraviolet licht; je ziet het ultraviolette licht niet, maar je weet dat het er is omdat de inkt oplicht.

Ik ben natuurkunde gaan studeren omdat de natuurkunde dingen verklaarde die mij interesseerden en de mechanismen van de wereld voor me blootlegde. Maar het mooiste vond ik dat ik de kans kreeg zelf een paar van die mechanismen uit te puzzelen. Hoewel ik nu fysicus van beroep ben, had ik voor veel van mijn ontdekkingen geen laboratorium, ingewikkelde computerprogramma’s of kostbare experimenten nodig. De meeste voldoening schonken ontdekkingen die ik deed als ik zomaar ergens mee speelde en eigenlijk geen wetenschap aan het bedrijven was. Met een beetje basale kennis van de natuurkunde verandert de wereld in een kist vol speelgoed.

Op natuurwetenschappelijk onderzoek dat je gewoon in de keuken en de tuin of op straat kunt doen, reageren mensen soms een beetje laatdunkend. Ze vinden het een bezigheid voor kinderen, een vorm van vermaak die belangrijk is voor de kleintjes, maar weinig zinvol voor volwassenen. Een volwassene koopt liever een boek over hoe het heelal in elkaar zit; dat vindt men wel een onderwerp voor grote mensen. Maar als je dat denkt, zie je iets belangrijks over het hoofd: overal is dezelfde fysica van toepassing. Een broodrooster kan je een paar fundamentele natuurkundige wetten leren, en het voordeel van een broodrooster is dat je er waarschijnlijk eentje in huis hebt, zodat je zelf kunt zien wat er gebeurt als hij aanstaat. De natuurkunde is juist zo geweldig omdat allerlei patronen universeel zijn: ze komen zowel in de keuken als in de uithoeken van het universum voor. Het is bovendien handig om eerst naar die broodrooster te kijken. Dan weet je straks in elk geval waarom je geroosterde brood warm is, ook als je je nooit gaat verdiepen in de temperatuur van het heelal. Maar zodra je het patroon kent, zul je het op veel andere plaatsen hérkennen, onder andere in de indrukwekkendste prestaties van de mens. Als je kennisneemt van de alledaagse wetenschap, krijg je de achtergrondkennis over de wereld die iedere burger nodig heeft om volledig te participeren in de samenleving.

Heb je weleens een rauw ei van een gekookt ei moeten onderscheiden zonder ze te breken? Dat is heel eenvoudig. Leg het ei op een glad, hard oppervlak en laat het tollen. Na een paar seconden raak je de schaal net lang genoeg met één vinger aan om het ei tot stilstand te brengen. Mogelijk blijft het ei nu stilliggen. Maar het kan ook na een paar tellen weer langzaam gaan ronddraaien. Rauwe en gekookte eieren zien er vanbuiten hetzelfde uit, maar vanbinnen zijn ze niet hetzelfde, en daar zit de crux. Als je het gekookte ei aanraakt, breng je een volledig vast object tot stilstand. Maar bij het rauwe ei stop je alleen de schaal. De vloeistof in het ei is niet gestopt en blijft rondtollen, zodat de schaal na een paar tellen weer begint te draaien, omdat hij wordt meegesleurd door de vloeistof. Als je me niet gelooft, moet je het zelf maar proberen. Het is een natuurkundig principe dat voorwerpen de neiging hebben dezelfde soort beweging vol te houden tenzij je ze een duw geeft of aan ze trekt. In dit geval blijft de totale hoeveelheid draaiing van het eiwit hetzelfde omdat ze geen reden had om te veranderen. Dit staat bekend als ‘behoud van impulsmoment’. En het werkt niet alleen in eieren.

De Hubble-ruimtetelescoop, een kijker die sinds 1990 in een baan rond onze planeet draait, heeft duizenden spectaculaire foto’s van de kosmos gemaakt. Hij heeft opnames naar de aarde gestuurd van Mars, de ringen van Uranus, de oudste sterren in de Melkweg, de nevel die de prachtige naam de Sombreronevel heeft gekregen, en de reusachtige Krabnevel. Maar als je vrij in de ruimte zweeft, hoe blijf je dan in positie wanneer je naar zulke piepkleine speldenprikjes licht kijkt? Hoe weet je precies welke kant je op kijkt? Hubble heeft zes gyroscopen: wielen die elk 19.200 omwentelingen per seconde maken. Gegeven de wet van behoud van impulsmoment zullen die wielen met die snelheid blijven draaien omdat er niets is wat ze afremt. En de draaiingsas zal in precies dezelfde richting blijven wijzen omdat hij geen reden heeft om te verschuiven. De gyroscopen geven Hubble een referentierichting, zodat de optische instrumenten op een ver weg gelegen object gericht kunnen blijven zo lang als nodig is. Een van de meest geavanceerde hoogstandjes waartoe onze beschaving in staat is, wordt dus de juiste kant op gericht met behulp van het natuurkundige principe dat je kunt aantonen met een ei in je keuken.

En daarom houd ik van natuurkunde. Alles wat je leert, blijkt elders ook van pas te komen, en de fysica is één groot avontuur omdat je niet weet waar ze je nu weer zal brengen. Voor zover we weten, zijn de natuurkundige wetten die we hier op aarde tegenkomen in het hele universum van toepassing. Een groot deel van de moeren en bouten van het heelal kunnen door iedereen worden waargenomen. Je kunt ze zelf testen. Wat je te weten kunt komen met een ei, ontpopt zich tot een principe dat overal van toepassing is. Je gaat gewapend met je nieuwe kennis naar buiten en de wereld ziet er anders uit.

In het verleden was informatie lastig te krijgen en in die zin waardevoller. Tegenwoordig leven we op de oever van een zee aan kennis, een zee waar zich geregeld tsunami’s voordoen die een gevaar zijn voor onze geestelijke gezondheid. Als je het leven aankunt zoals je bent, waarom zou je dan op zoek gaan naar meer kennis waardoor alles misschien nog ingewikkelder wordt? Leuk hoor, die Hubble-ruimtetelescoop, maar wat heb je eraan als hij niet af en toe omlaag kijkt om je sleutels te zoeken wanneer je al laat bent voor een afspraak?

Mensen zijn nieuwsgierig naar hun omgeving, en het doet hun plezier als hun nieuwsgierigheid wordt bevredigd. Nog leuker is het als je iets zelf uitpuzzelt of samen met anderen op ontdekkingstocht gaat. En de natuurkundige principes die je spelenderwijs leert, zijn ook van toepassing bij nieuwe medische technologieën, het weer, mobiele telefoons, zelfreinigende kleding en kernfusiereactoren. In het moderne leven moeten veel ingewikkelde beslissingen worden genomen: is een compacte fluorescente lamp zijn geld waard? Is het veilig om met mijn telefoon naast mijn bed te slapen? Kan ik afgaan op het weerbericht? Maakt het uit of mijn zonnebril polariserende glazen heeft? De basale principes alleen zullen vaak geen specifiek antwoord opleveren, maar ze leveren de context die je nodig hebt om de juiste vragen te stellen. En zodra je eraan gewend bent om zelf dingen uit te zoeken, zul je je niet meer uit het veld laten slaan als het antwoord niet meteen bij je eerste poging duidelijk wordt. Dan weet je dat je het antwoord kunt vinden als je nog wat extra nadenkt. Wil je de wereld begrijpen, dan moet je kritisch nadenken; dat is van essentieel belang, vooral omdat adverteerders en politici allemaal om het hardst schreeuwen dat zij het het beste weten. We moeten zelf aan de hand van de feiten kunnen bepalen of we het met hen eens zijn. En er staat meer op het spel dan het leven van alledag. We zijn verantwoordelijk voor onze beschaving. We stemmen, we beslissen wat we kopen en hoe we willen leven, en we nemen met zijn allen deel aan de reis van de mens. Niemand kan alle details van onze complexe wereld snappen, maar de basale principes zijn bijzonder waardevolle gereedschappen om mee te nemen op je reis.

Daarom ben ik van mening dat het niet alleen maar leuk is om met het fysische speelgoed in de wereld te spelen, hoewel ik een groot fan ben van plezier om het plezier. Wetenschap bedrijven is meer dan het verzamelen van feiten; het is een logisch proces om dingen uit te puzzelen. Het mooie van de natuurwetenschap is dat iedereen naar de feiten kan kijken en tot een beredeneerde conclusie kan komen. Aanvankelijk zullen die conclusies wellicht uiteenlopen, maar dan ga je meer gegevens verzamelen waarmee je kunt bepalen welke beschrijving van de wereld beter is, en na verloop van tijd zal er één conclusie uit rollen. Dat onderscheidt de natuurwetenschappen van andere disciplines: een wetenschappelijke hypothese moet specifieke testbare voorspellingen doen. Als je denkt te weten hoe iets werkt, moet je uitzoeken wat de consequenties van je idee zijn. Je moet met name kijken naar consequenties die je kunt controleren, en vooral naar consequenties waarvan je kunt bewijzen dat ze niet opgaan. Als je hypothese slaagt voor elke test die we kunnen bedenken, dan spreken we voorzichtig af dat je hypothese waarschijnlijk goed beschrijft hoe de wereld in elkaar steekt. De wetenschap probeert altijd van zichzelf te bewijzen dat ze het mis heeft, want dat is de snelste manier om erachter te komen wat er werkelijk gebeurt.

Je hoeft geen gediplomeerd wetenschapper te zijn om met de wereld te experimenteren. Als je een paar basale natuurkundige principes kent, kom je al een heel eind en kun je veel dingen zelf uitpuzzelen. Je hoeft soms niet eens systematisch te werk te gaan – de stukjes van de puzzel vallen vrijwel vanzelf op hun plaats.

Een van mijn favoriete ontdekkingsreizen begon met een teleurstelling: de bosbessenjam die ik maakte, werd roze. Knalroze. Dat gebeurde een paar jaar geleden, toen ik in Rhode Island woonde, en de laatste dingen aan het regelen was voordat ik zou terugkeren naar Groot-Brittannië. Ik was bijna klaar voor vertrek, maar er was nog één ding dat ik persé wilde doen. Ik ben dol op bosbessen, altijd al geweest. Bosbessen zijn een beetje exotisch, lekker en prachtig bizar blauw. Helaas kwamen ze niet veel voor in de streken waar ik heb gewoond, behalve in Rhode Island, daar groeiden ze in overvloed. Ik wilde een deel van die zomerse rijkdom aan bosbessen omtoveren in blauwe jam om mee te nemen naar Engeland. Zodoende ging ik op een van mijn laatste ochtenden daar bosbessen plukken.

Bosbessenjam hoort in de eerste plaats blauw te zijn. Althans, dat vond ik; de natuur dacht er anders over. De pan borrelende jam was van alles, behalve blauw. Ik vulde de jampotten, en de jam smaakte heerlijk. Toch reisde iets van de teleurstelling en verbouwereerdheid met mij en mijn roze jam mee terug naar Engeland.

Een half jaar later vroeg een vriend of ik hem wilde helpen met een historisch raadsel. Hij maakte een tv-programma over heksen en vertelde dat er verhalen waren over ‘wijze vrouwen’ die de blaadjes van verbenabloemen kookten in water. Dat water smeerden ze op de huid van mensen om te zien of ze behekst waren. Hij vroeg zich af of ze een fysiologisch verschijnsel maten, ook al was dat niet hun bedoeling. Ik deed wat onderzoek en ontdekte dat dat weleens het geval zou kunnen zijn.

Paarse verbenabloemen bevatten net als rode kool, bloedsinaasappels en veel andere rode en paarse planten chemische stoffen die ‘anthocyanen’ worden genoemd. Die anthocyanen zijn pigmenten en geven de planten hun felle kleur. Er zijn een paar verschillende versies, zodat de kleur enigszins varieert, maar ze hebben allemaal een vergelijkbare moleculaire structuur. Maar dat is nog niet alles. De kleur hangt ook af van de zuurgraad, de zogenaamde pH-waarde, van de vloeistof waarin het molecuul zich bevindt. Maak je die omgeving iets zuurder of iets basischer, dan veranderen de moleculen enigszins van vorm, en verandert dus ook hun kleur. Het zijn indicatoren, de natuurlijke versie van lakmoespapier.

Je kunt je hiermee goed vermaken in de keuken. Je moet de plant koken om het pigment eruit te krijgen. Kook eens wat rode kool en bewaar het kookwater (dat paars is). Schenk er azijn bij en het wordt rood. Door een oplossing van waspoeder (een sterke base) wordt het geel of groen. Je kunt een hele regenboog aan kleuren tevoorschijn toveren met spullen uit je keukenkastjes. Dat weet ik, want ik heb het gedaan. Ik vind het een prachtige ontdekking omdat die anthocyanen overal te vinden zijn, voor iedereen. Je hebt geen scheikundedoos nodig!

Misschien gebruikten die wijze vrouwen de verbenabloemen dus om te zien hoe het met de pH stond, en niet om te kijken of iemand betoverd was. De pH van je huid varieert van nature, en als je bij verschillende mensen het verbenabrouwsel op de huid smeert, kan dat resulteren in verschillende kleuren. Ik kon koolwater van paars in blauw laten veranderen als ik na een rondje hardlopen flink bezweet was, maar het veranderde niet van kleur als ik niet had gesport. De wijze vrouwen hadden wellicht gezien dat de pigmenten van de verbena bij verschillende mensen verschillende kleuren opleverden, en daar hun eigen uitleg aan gegeven. We zullen het nooit zeker weten, maar ik vind het niet zo’n gekke hypothese.

Tot zover de geschiedenis. Toen herinnerde ik me opeens de bosbessen en de jam. Bosbessen zijn blauw omdat ze anthocyanen bevatten. Voor jam heb je slechts vier ingrediënten nodig: fruit, suiker, water en citroensap. Het citroensap zorgt er samen met de natuurlijke pectine uit het fruit voor dat de jam opstijft. Dat doet het omdat… het zuur is! Mijn bosbessenjam was roze omdat de gekookte bosbessen fungeerden als een lakmoesproef in een steelpan. De jam moest roze zijn omdat hij anders niet goed zou opstijven. Ik was zo blij met deze ontdekking dat ik bijna vergat hoe groot mijn teleurstelling was geweest toen bleek dat ik geen blauwe jam kon maken. Bijna. Maar de ontdekking dat je een hele regenboog aan kleuren uit één soort fruit kunt halen, maakte veel goed.

In dit boek worden verbanden gelegd tussen de kleine dingen die we elke dag zien en de grote wereld waarin we leven. Het is een vrolijke tocht door de fysische wereld, waarbij we zullen zien hoe je met dingen als popcorn, koffievlekken en koelkastmagneten licht kunt werpen op de expedities van Scott, medische tests en een oplossing voor het energievraagstuk. De wetenschap draait niet om ‘zij’, maar om ‘wij’, en we kunnen allemaal op onze eigen manier het avontuur aangaan. Ieder hoofdstuk begint met iets kleins uit het leven van alledag, iets wat je waarschijnlijk al vaak gezien hebt, maar waar je nog nooit bij hebt stilgestaan. Aan het einde van ieder hoofdstuk zullen we zien hoe dezelfde patronen belangrijke onderdelen van de hedendaagse wetenschap en techniek verklaren. Elke mini-ontdekking is op zichzelf de moeite waard, maar echt spannend wordt het pas als de stukjes aan elkaar worden gepast.

Het is leuk om te weten hoe de wereld in elkaar steekt, maar het heeft nog een ander voordeel, waar wetenschappers niet vaak genoeg over praten. Als je ziet hoe de wereld in elkaar zit, ga je er anders tegenaan kijken. De wereld is een mozaïek van fysische patronen, en zodra je vertrouwd bent met de basale patronen, ga je zien hoe ze met elkaar samenhangen. Ik hoop dat de wetenschappelijke inzichten uit de hoofdstukken tijdens het lezen van het boek zullen uitgroeien tot een andere kijk op de wereld. In het laatste hoofdstuk van dit boek onderzoek ik hoe de patronen in elkaar grijpen en onze drie life-supportsystemen vormen: het menselijk lichaam, onze planeet en onze beschaving. Maar je hoeft het niet eens te zijn met mijn visie. De essentie van wetenschap is zelf experimenteren met de principes, alle beschikbare bewijzen meewegen en dan je eigen conclusies trekken.

Het koffiekopje is nog maar het begin.

1. Popcorn en raketten

De gaswetten

Een explosie in de keuken kun je beter voor zijn. Daar is iedereen het wel over eens. Maar soms levert een kleine ontploffing iets lekkers op. Een gedroogde maïskorrel bevat een heleboel goede voedingsstoffen – koolhydraten, eiwitten, ijzer en kalium – maar die zitten heel dicht op elkaar gepakt in een lastig hard pantser. De korrel belooft veel goeds, maar hij moet drastisch worden gereorganiseerd, anders is hij niet eetbaar. Een explosie is precies wat we nodig hebben, en het toeval wil dat dit zaadje de kiem van zijn eigen vernietiging in zich draagt. Gisteravond heb ik een potje ballistisch gekookt en popcorn gemaakt. Het is altijd een hele opluchting als er onder een ruwe bolster een blanke pit blijkt schuil te gaan – maar waarom komt hier donzig schuim uit en spat het ding niet in stukjes uit elkaar?

Toen de olie in de pan heet was, deed ik er een lepel maïs in. Daarna legde ik de deksel op de pan en zette theewater op. Buiten was het beestenweer. Grote druppels regen kletterden tegen het raam. De maïs lag zacht te sissen in de olie. Het leek alsof er niets gebeurde, maar in de pan was de show al begonnen. In elke maïskorrel zitten een kiem – het begin van een nieuwe plant – en endosperm – het voedsel voor de nieuwe plant. Het endosperm bestaat uit korreltjes zetmeel en bevat ongeveer 14 procent water. Toen de maïskorrels in de hete olie lagen, begon dat water te verdampen en in stoom te veranderen. Warmere moleculen bewegen sneller, zodat er in elke korrel steeds meer watermoleculen in de vorm van stoom heen en weer suisden naarmate de maïs warmer werd. De schil van een maïskorrel heeft als evolutionair doel aanvallen van buiten af te weren, maar nu moest er een interne opstand in de hand worden gehouden en werkte de schil als een minihogedrukpan. De in stoom veranderde watermoleculen zaten opgesloten en konden niet weg. Daardoor liep de druk in de korrel op. Gasmoleculen botsten voortdurend tegen elkaar en tegen de wanden van de korrel. Naarmate het aantal gasmoleculen toenam en de moleculen sneller gingen bewegen, knalden ze steeds harder tegen de binnenkant van de schil.

Hogedrukpannen zijn handig omdat voedsel in hete stoom snel gaar wordt. En in popcorn geldt hetzelfde. Terwijl ik op zoek ging naar een theezakje, werden de zetmeelkorreltjes gekookt. Ze veranderden in een geleiachtige brij die onder druk stond, en die druk liep steeds verder op. De schil van een maïskorrel is bestand tegen deze druk, maar slechts tot op zekere hoogte. Als de temperatuur in de korrel in de buurt van 180°C komt en de druk bijna tien keer zo hoog is geworden als de normale druk van de lucht om ons heen, zegeviert de brij.

Ik schudde de pan eens heen en weer en hoorde de eerste doffe knal door de pan galmen. Even later klonk er een geluid alsof in de pan een minimachinegeweer werd afgevuurd, en ik zag dat de deksel omhoogkwam wanneer hij van onderen werd geraakt. Bij elke knal ontsnapte er ook een vrij indrukwekkende stoomwolk onder de deksel uit. Ik liep even weg bij de pan om een kop thee in te schenken, en in die paar seconden werd de deksel door het spervuur in de pan van zijn plaats getild, en begon er dons door de lucht te vliegen.

Zodra de ramp zich voltrekt, veranderen de regels. Tot op dat moment zit er een bepaalde hoeveelheid waterdamp opgesloten, en de druk die deze op de binnenkant van de schil uitoefent, stijgt naarmate de temperatuur stijgt. Maar wanneer de harde schil ten slotte bezwijkt, wordt de inhoud van de maïskorrels blootgesteld aan de atmosferische druk in de rest van de pan en niet meer ingeperkt. De zetmeelrijke brij zit nog vol hete botsende moleculen, maar er wordt van de andere kant niet meer teruggeduwd. Daarom zet de brij in één klap uit, totdat de druk vanbinnen gelijk is aan de druk buiten. Compacte witte brij blaast zich op tot wit donzig schuim, en de maïskorrel wordt binnenstebuiten gekeerd. Wanneer dat schuim afkoelt, wordt het hard. Dan is de transformatie compleet.

Toen ik de gepofte maïs uit de pan schudde, bleven er een paar donker verbrande, niet-gepofte maïskorrels achter, die treurig over de bodem van de pan rolden. Als de schil beschadigd is, kan de waterdamp ontsnappen wanneer de korrel wordt verhit, en stijgt de druk niet. Popcorn ploft, maar andere granen niet, omdat alle andere granen een poreuze schil hebben. Als een korrel te droog is, bijvoorbeeld omdat hij op het verkeerde moment is geoogst, zit er niet genoeg water in om de druk op te bouwen die nodig is om de schil te laten barsten. Zonder het geweld van een explosie blijft oneetbare maïs oneetbaar.

Ik nam de schaal met volmaakt gebakken dons en mijn thee mee naar het raam en ging naar de regen staan kijken. Destructie hoeft niet altijd slecht te zijn.

Er schuilt schoonheid in eenvoud. En als die schoonheid condenseert uit complexiteit, geeft dat nog meer voldoening. De wetten die vertellen hoe gassen zich gedragen, zijn een soort optische illusie: je denkt dat je iets ziet, maar als je een keer met je ogen knippert en opnieuw kijkt, zie je opeens iets heel anders.

We leven in een wereld die is opgebouwd uit atomen. Om elk van deze piepkleine hoopjes materie zit een omhulsel van negatief geladen elektronen in een karakteristiek patroon, de chaperons van de zware en positief geladen kern. Chemie is het verhaal van die chaperons die met elkaar taken tussen verschillende atomen uitvoeren, van opstelling veranderen terwijl ze zich altijd houden aan de strenge regels van de kwantumwereld, en de opgesloten kernen in grotere patronen – oftewel moleculen – bij elkaar houden. In de lucht die ik inadem terwijl ik dit typ, zitten paren zuurstofatomen (elk tweetal is één zuurstofmolecuul) die zich verplaatsen met een snelheid van 1700 kilometer per uur. Ze botsen tegen paren stikstofatomen die een snelheid van 320 kilometer per uur hebben, en stuiten dan weer op een watermolecuul dat sneller gaat dan 1500 kilometer per uur. Het is vreselijk chaotisch en ingewikkeld – verschillende atomen, verschillende moleculen, verschillende snelheden – en in elke kubieke centimeter lucht zitten ongeveer 30.000.000.000.000.000.000 (3 x 1019) afzonderlijke moleculen, die ieder ongeveer een miljard keer per seconde tegen een ander botsen. Wat moet je ermee? zul je denken. Kan een mens zijn tijd niet beter besteden aan hersenchirurgie, economie of het hacken van supercomputers? Aan iets eenvoudigers in elk geval? Gelukkig wisten de pioniers die ontdekten hoe gassen zich gedragen, nog niets van atomen en moleculen. Soms is onwetendheid een zegen. Pas aan het begin van de negentiende eeuw begonnen wetenschappers na te denken over atomen, en het duurde tot omstreeks 1905 voor het bestaan van atomen onomstotelijk werd bewezen. In 1662 beschikten Robert Boyle en zijn assistent Robert Hooke alleen over glaswerk, kwik, een beetje opgesloten lucht en precies de juiste mate van onwetendheid. Ze ontdekten dat het volume van een hoeveelheid opgesloten lucht kleiner werd als de druk die erop werd uitgeoefend groter werd. Dat is de wet van Boyle, en die stelt dat de druk van een gas omgekeerd evenredig is aan het volume. Een eeuw later ontdekte Jacques Charles dat het volume van een gas recht evenredig is met de temperatuur. Als je de temperatuur verdubbelt, verdubbel je het volume. Het is haast niet te geloven. Hoe kan al die atomische complexiteit resulteren in iets wat zo simpel en zo consistent is?

Een laatste hap lucht, een kalme klap van zijn vlezige staart en de gigant laat de atmosfeer achter zich. Alles wat deze potvis nodig heeft om de volgende 45 minuten in leven te blijven, is opgeslagen in zijn lichaam. De jacht kan beginnen. De trofee is een reusachtige pijlinktvis, een rubberachtig monster, gewapend met tentakels, gemene zuignappen en een geduchte bek. Om zijn prooi te vinden moet de potvis zich diep in het duister van de oceaan wagen, op plaatsen waar het zonlicht nooit komt. Doorgaans duikt de potvis zo’n 500 tot 1000 meter diep, en het gemeten record is ongeveer 2 kilometer. De potvis maakt gebruik van echolocatie om de duisternis af te speuren en wacht op de zachte echo van een van zijn klikgeluiden, die erop wijst dat zijn avondeten vlakbij zou kunnen zijn. En de reuzeninktvis dobbert rustig en nietsvermoedend rond, want die is doof.

Het allerkostbaarste wat de potvis mee omlaag neemt in de duisternis is zuurstof. Die zuurstof is nodig om de chemische reacties op gang te houden waarmee de zwemspieren van energie worden voorzien, en ze is onontbeerlijk voor de potvis om in leven te blijven. Maar de gasachtige zuurstof uit de atmosfeer wordt op grote diepte een risico. Sterker nog, zodra de potvis onder water duikt, wordt de lucht in zijn longen een probleem. Als de vis omlaagzwemt, gaat het gewicht van steeds meer meters water van buitenaf op de vis drukken. Stikstof- en zuurstofmoleculen botsen tegen elkaar en tegen de longwanden, en elke botsing resulteert in een klein duwtje, een minuscuul beetje druk. Aan de oppervlakte wordt er van buitenaf even hard op de potvis geduwd als van binnenuit – de inwaartse en de buitenwaartse druk zijn met elkaar in evenwicht. Maar als het reusachtige dier de diepte in gaat, wordt het door het extra gewicht van al dat water boven hem in elkaar gedrukt; er wordt van buitenaf harder geduwd dan van binnenuit. Daarom trekken de wanden van de longen een beetje samen tot er een evenwichtspunt wordt bereikt, het punt waarop die twee krachten weer in balans zijn. De moleculen in de longen hebben minder ruimte wanneer de longen van de potvis krimpen, en komen daardoor eerder met elkaar in botsing. Dat heeft tot gevolg dat er meer moleculen in de longen tegen de wanden botsen. Daardoor neemt de druk vanbinnen toe totdat de botsende moleculen op gelijke voet kunnen wedijveren met de moleculen buiten. Een waterdiepte van 10 meter is al genoeg om een extra druk uit te oefenen die gelijk is aan een hele extra atmosfeer. Dus zelfs op die diepte, waar de vis nog heel goed de oppervlakte zou kunnen zien (als hij keek), krimpt het volume van de longen van de potvis al tot de helft. Dat heeft tot gevolg dat er twee keer zo vaak moleculen tegen de wanden botsen, wat opweegt tegen de verdubbelde druk van buitenaf. Maar de pijlinktvis kan wel een kilometer onder het wateroppervlak zitten, en op die diepte zouden de longen vanwege de gigantische druk van het water moeten krimpen tot slechts 1 procent van het volume dat ze aan de oppervlakte hebben.

Na verloop van tijd hoort de potvis de weerkaatsing van een van zijn harde klikgeluiden. Met gekrompen longen, en alleen sonar om hem de weg te wijzen in de uitgestrekte duisternis, moet hij zich voorbereiden op de strijd. De reuzeninktvis is gewapend. Zelfs als de inktvis zich uiteindelijk gewonnen geeft, kan de potvis afschuwelijke littekens overhouden aan het gevecht. En waar haalt het dier zonder zuurstof uit zijn longen de energie vandaan om te vechten?

Als het volume van de longen nog maar een honderdste is van wat het aan de oppervlakte was, dan is de druk van het gas in de longen honderd keer zo groot als de atmosferische druk. Dat is een probleem. Bij de longblaasjes, het delicate deel van de longen waar zuurstof in het bloed wordt opgenomen en koolstofdioxide door het bloed wordt afgegeven, zou door deze druk zowel extra stikstof als extra zuurstof in de bloedstroom van de walvis terechtkomen en oplossen. Dat zou resulteren in een extreem geval van caissonziekte, en als de potvis weer naar de oppervlakte zwom, zou de extra stikstof belletjes in het bloed vormen en veel schade aanrichten. De evolutie heeft een oplossing voor dit probleem gevonden: zodra de potvis onder water duikt, worden alle longblaasjes volledig afgesloten. Een alternatief is er niet. Maar de potvis kan toch bij zijn energiereserves omdat zijn bloed en spieren een uitzonderlijke hoeveelheid zuurstof kunnen opslaan. Een potvis heeft twee keer zoveel hemoglobine als een mens en ongeveer tien keer zoveel myoglobine (het eiwit dat wordt gebruikt om energie op te slaan in de spieren). Wanneer het dier aan de oppervlakte is, vult hij deze reusachtige reservoirs. Potvissen ademen nooit via hun longen als ze een diepe duik maken. Dat is veel te gevaarlijk. En ze gebruiken niet alleen hun laatste hap lucht als ze onder water zijn. Potvissen kunnen in de diepte overleven – en vechten – dankzij het overschot aan zuurstof in hun spieren, de voorraad die ze hebben aangelegd toen ze aan de oppervlakte waren.

Er heeft nog nooit iemand een gevecht tussen een potvis en een reuzeninktvis gezien. Maar in de maag van dode potvissen worden altijd inktvisbekken aangetroffen, het enige deel van de pijlinktvis dat niet kan worden verteerd. Elke potvis draagt dus de score van gewonnen gevechten in zich mee. Als een zegevierende potvis weer naar het zonlicht zwemt, zetten zijn longen geleidelijk aan uit en wordt de verbinding met de bloedsomloop hersteld. Naarmate de druk daalt, neemt het volume weer toe, totdat het beginpunt is bereikt.

Vreemd genoeg levert de combinatie van complex moleculair gedrag en statistiek (gewoonlijk niet gezien als iets eenvoudigs) in de praktijk een betrekkelijk simpele uitkomst op. Er zijn inderdaad veel moleculen en veel botsingen en veel verschillende snelheden, maar er zijn slechts twee belangrijke factoren: de verschillende snelheden waarmee de moleculen bewegen, en het gemiddelde aantal keren dat ze tegen de wanden van hun omhulsel botsen. Het aantal botsingen en de kracht van elke botsing (ten gevolge van de snelheid en massa van dat molecuul) bepalen de druk. Die druk van binnenuit in vergelijking tot de druk van buitenaf bepaalt het volume. En dan is er nog de temperatuur; die heeft weer een iets ander effect.

‘Wie zou zich anders op dit moment zorgen gaan maken?’ Onze docent, Adam, draagt een wit koksbuis dat strak gespannen staat over een gezellige ronde buik, precies wat de castingafdeling eist van een vrolijke bakker. Het zware Cockneyaccent is gewoon een leuk extraatje. Hij prikt in de treurige klets deeg die voor hem op tafel ligt, en het deeg klampt zich vast alsof het leeft, wat ook zo is natuurlijk. ‘Wat we nodig hebben voor goed brood, is lucht,’ verkondigt hij. Ik ben op een bakkersschool om te leren hoe je focaccia maakt, een traditioneel Italiaans brood. Voor zover ik weet, heb ik sinds mijn tiende geen schort meer gedragen. En ik heb al vaak brood gebakken, maar nog nooit zulk deeg gezien als die klets van Adam, dus ik heb al iets geleerd.

We beginnen gehoorzaam ons eigen deeg te maken volgens Adams aanwijzingen. We mengen verse gist met water en vervolgens met het meel en het zout, en we kneden het deeg met bezielende kracht zodat het gluten, het eiwit waardoor brood zijn elasticiteit krijgt, zich kan ontwikkelen. Terwijl wij de fysieke structuur uitrekken en scheuren, is de levende gist in die structuur druk bezig suikers te fermenteren en koolstofdioxide te maken. In dit deeg zit helemaal geen zuurstof, net zomin als in al het andere deeg dat ik ooit heb gemaakt. Er zitten alleen een heleboel koolstofdioxidebelletjes in. Het is een rekbare, plakkerige, goudkleurige bioreactor, en de voortbrengsels van het leven in het deeg zitten opgesloten, zodat het rijst.

Na deze eerste fase krijgt het deeg een lekker olijfoliebadje. Daarna rijst het verder, terwijl wij deeg van onze handen, het werkblad en een verrassend groot aantal dingen om ons heen halen. Bij elke afzonderlijke fermentatiereactie worden twee moleculen koolstofdioxide geproduceerd die door het gist worden uitgestoten. Koolstofdioxide of CO2 – twee zuurstofatomen aan een koolstofatoom – is een klein molecuul dat niet gemakkelijk reageert en bij kamertemperatuur genoeg energie heeft om vrij rond te zweven als een gas. Als het molecuul zijn weg heeft gevonden naar een belletje met een heleboel andere CO2-moleculen, zal het urenlang botsautootje spelen. Wanneer het een ander molecuul raakt, zal er waarschijnlijk wat energie worden uitgewisseld, net als bij een botsing tussen een stootbal en een biljartbal. Soms zal de ene bijna tot stilstand komen en de andere al die energie inpikken en met hoge snelheid wegschieten. Soms wordt de energie tussen de twee verdeeld. Als een molecuul tegen de glutenrijke wand van een belletje botst, duwt het tegen de wand en stuitert terug. Daardoor worden in deze fase de belletjes groter. Naarmate een belletje meer CO2-moleculen in zich krijgt, wordt er van binnenuit vaker tegen de wanden van het belletje geduwd. Zodoende groeit het belletje, totdat de druk die de atmosfeer uitoefent even groot is als de buitenwaartse druk van de CO2-moleculen. Soms bewegen de CO2-moleculen snel wanneer ze de wand raken en soms langzaam. Broodbakkers kan het evenmin als natuurkundigen schelen welke moleculen welke wanden met een zekere snelheid raken, omdat het een statistisch spel is. Bij kamertemperatuur en atmosferische druk verplaatst 29 procent van de moleculen zich met een snelheid van 350 tot 500 meter per seconde, en het maakt niet uit welke dat zijn.

Adam klapt in zijn handen om onze aandacht te trekken en haalt met het joyeuze gebaar van een goochelaar de doek van het rijzende deeg. En dan doet hij iets wat ik nog nooit heb gedaan. Hij rekt het met olie bedekte deeg uit en vouwt het van beide kanten terug, over zichzelf heen. Het is de bedoeling dat er lucht tussen de lagen blijft zitten. Dat is valsspelen! is mijn eerste gedachte, want ik ben er altijd van uitgegaan dat alle ‘lucht’ in brood CO2 was van de gist. In Japan zag ik een keer een origamimeester die zijn leerlingen ijverig leerde hoe je plakband moest plakken op een hoekig paard van papier. Toen was ik net zo verontwaardigd als nu in de bakkerij. Maar als je lucht wilt, waarom zou je dan geen lucht gebruiken? Geen mens die het weet, zodra het brood gebakken is. Ik zwichtte voor de kennis van de deskundige en vouwde netjes mijn deeg. Een paar uur later, nadat het deeg nog verder was gerezen en vaker was gevouwen, en er meer olijfolie in was verwerkt dan ik voor mogelijk had gehouden, was mijn focaccia in wording met zijn belletjes klaar voor de oven. Nu kwam het grote moment voor de beide soorten ‘lucht’.

In de oven stroomde warmte-energie het brood in. De druk in de oven was nog even hoog als de druk buiten, maar de temperatuur in het brood was opeens gestegen van 20°C naar 250°C. In absolute eenheden is dat van 293 Kelvin naar 523 Kelvin, bijna een verdubbeling in temperatuur.1 In een gas betekent dat dat de moleculen sneller gaan bewegen. Maar wat je niet verwacht, is dat geen enkel afzonderlijk molecuul zijn eigen temperatuur heeft. Een gas – een cluster van moleculen – kan een temperatuur hebben, maar een individueel molecuul in dat gas niet. De gastemperatuur is gewoon een manier om uit te drukken hoeveel bewegingsenergie de moleculen gemiddeld hebben, maar elk afzonderlijk molecuul versnelt en vertraagt voortdurend, omdat hij energie uitwisselt met andere moleculen waarmee hij in botsing komt. Een individueel molecuul speelt gewoon botsautootje met de energie die hij op dat moment heeft. Naarmate de moleculen sneller gaan, botsen ze harder tegen de wanden van de belletjes, zodat ze meer druk uitoefenen. Toen het brood de oven in ging, kregen gasmoleculen van het ene op het andere moment veel meer warmte-energie. Daardoor gingen ze sneller bewegen. De gemiddelde snelheid veranderde van 480 meter per seconde in 660 meter per seconde. Er werd van binnenuit dus veel harder tegen de wanden van de belletjes geduwd en er werd van buiten niet teruggeduwd. Alle belletjes zetten uit al naargelang de temperatuur en duwden tegen het deeg, dat daardoor wel móést uitzetten. En het leuke is dat de luchtbelletjes (voornamelijk stikstof en zuurstof) op precies dezelfde manier uitzetten als de CO2-belletjes. Dat is het laatste stukje van de puzzel. Het blijkt dat het niet uitmaakt wat de moleculen zijn. Als je de temperatuur verdubbelt, verdubbel je het volume (zolang je de druk constant houdt). En als je het volume constant houdt en de temperatuur verdubbelt, dan verdubbelt de druk. Dat er een combinatie van verschillende atomen aanwezig is, is irrelevant, want de getallen zijn voor alle mengsels hetzelfde. Niemand zou aan het uiteindelijke brood kunnen zien welke belletjes CO2 waren geweest en welke lucht. En daarna werd de eiwit-en-koolhydraatmatrijs rondom de belletjes gaar en nam vaste vorm aan. De afmeting van het belletje lag vast. Luchtige witte focaccia was een feit.

De manier waarop gassen zich gedragen wordt beschreven door de algemene gaswet, ook wel de ideale-gaswet genaamd, en het idealisme is gerechtvaardigd, want de wet werkt. Ze werkt bijzonder goed. Ze stelt dat voor een constante hoeveelheid gas de druk omgekeerd evenredig is met het volume (als je de druk verdubbelt, halveer je het volume), de temperatuur recht evenredig is met de druk (als je de temperatuur verdubbelt, verdubbel je de druk), en het volume recht evenredig met de temperatuur, bij een constante druk. Het maakt niet uit om welk gas het gaat, alleen hoeveel moleculen van het gas er zijn. De ideale-gaswet is het geheim achter de interne verbrandingsmotor, heteluchtballonnen… en popcorn. En de wet is niet alleen van toepassing als dingen opwarmen, maar ook als ze afkoelen.

Toen men de Zuidpool bereikte, was dat een belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de mens. De grote poolonderzoekers – zoals Amundsen, Scott en Shackleton – zijn legendarische figuren, en de boeken over hun wapenfeiten en hun nederlagen behoren tot de grootste avonturenverhalen aller tijden. En alsof de onvoorstelbare kou, het gebrek aan voedsel, de woeste zeeën en de ontoereikende kleding nog niet genoeg waren, hadden ze de formidabele ideale-gaswet tegen, letterlijk tegen.

Het centrale deel van Antarctica is een hoog, droog plateau. Het is bedekt met een dikke laag ijs, maar het sneeuwt er vrijwel nooit. Het schitterende witte oppervlak kaatst vrijwel al het zwakke zonlicht terug naar de ruimte, en de temperatuur zakt geregeld onder -80°C. Het is er stil. Op atomair niveau is de atmosfeer hier traag, omdat de luchtmoleculen weinig energie hebben (door de kou) en relatief langzaam bewegen. Lucht zakt omlaag naar het plateau, en het ijs eigent zich de warmte van die lucht toe. Koude lucht wordt nog kouder. De druk is constant, zodat die lucht in volume afneemt en de dichtheid ervan toeneemt. De moleculen zitten dichter bij elkaar, bewegen langzamer en kunnen niet hard genoeg van zich af duwen om zich te meten met de lucht om ze heen die binnenwaarts duwt. Omdat het land vanaf het centrale deel van het continent afloopt naar de oceaan, glijdt deze koude, dichte lucht ook onophoudelijk over het oppervlak naar de randen van het continent, onstuitbaar als een trage waterval van lucht. De lucht stroomt door grote valleien en krijgt meer snelheid terwijl de valleien als trechters omlaaglopen vanaf het plateau in het centrale deel naar de oceaan, altijd vanuit het midden naar de oceaan. Dit zijn de katabatische winden van Antarctica, en als je naar de Zuidpool wil lopen, heb je ze de hele tijd tegen en blazen ze recht in je gezicht. Een vervelender streek had de natuur die poolverkenners niet kunnen leveren.

‘Katabatisch’ is gewoon een naam voor dit soort winden, die op veel plaatsen voorkomen, ook op plaatsen waar het niet koud is. Wanneer die trage moleculen afdalen, warmen ze een heel klein beetje op. En dat kan ingrijpende gevolgen hebben.

In 2007 woonde ik in San Diego en werkte ik bij het Scripps Institution of Oceanography. Als noorderling vond ik het verdacht dat de zon altijd scheen, maar ik kon wel elke ochtend in een 50-meterbuitenbad zwemmen, dus ik mocht niet klagen. En de zonsondergangen waren prachtig. San Diego ligt aan de kust, met een vrij uitzicht over de Grote Oceaan, en elke avond was de horizon weer even mooi.

Wat ik wel heel erg miste, waren de seizoenen. Het was net of de tijd niet verstreek, bijna alsof je in een droom leefde. Maar toen kwamen de Santa Anawinden en veranderde het weer van zonnig, warm en aangenaam in akelig heet en droog. De Santa Anawinden doen zich elk najaar voor, wanneer lucht van de hoger gelegen woestijnen over de kust van Californië naar de oceaan stroomt. Het zijn katabatische winden, net als die in Antarctica. Maar tegen de tijd dat de winden bij de kust en de oceaan aankomen, is de lucht veel warmer dan die op het hoge plateau was. Op een gedenkwaardige dag reed ik over de snelweg I-5 naar het noorden, in de richting van een van de grote valleien waardoor de warme lucht als door een trechter naar zee stroomt. In de vallei hing een langgerekte strook lage bewolking. Mijn toenmalige vriend zat achter het stuur. ‘Ruik jij ook brand?’ vroeg ik. ‘Doe niet zo raar,’ zei hij. Maar de volgende ochtend werd ik wakker in een griezelige wereld. Er woedden grote natuurbranden ten noorden van San Diego. Ze rukten op door de valleien, en er hing as in de lucht. In de warme, droge omstandigheden was een kampvuur uit de hand gelopen, en het vuur werd door de wind in de richting van de kust geblazen. Die langgerekte strook bewolking die ik had gezien, was rook. Mensen gingen naar hun werk, maar werden weer naar huis gestuurd of zaten in groepjes bij elkaar naar de radio te luisteren, terwijl ze zich afvroegen of hun huis behouden zou blijven. We wachtten. De horizon was heiig van de aswolken, die vanuit de ruimte te zien waren, maar de zonsondergangen waren spectaculair. Na drie dagen begon de rook op te trekken. Kennissen van me hadden hun huis in vlammen zien opgaan. Alles was bedekt met een laag as, en de gezondheidsautoriteiten raadden gedurende een week lichamelijke inspanning in de buitenlucht af.

Op het hoge plateau was hete woestijnlucht afgekoeld, dichter geworden en naar lager gelegen gebieden gestroomd, net als de winden die Scott op Antarctica in het gezicht hadden geblazen. Maar de natuurbranden ontstonden omdat die lucht niet alleen droog was, maar ook warm. Waarom werd die lucht warmer toen hij heuvelafwaarts kwam? Waar komt de energie vandaan? De ideale-gaswet geldt nog altijd – het ging om een constante hoeveelheid lucht, en die verplaatste zich zo snel dat er geen tijd was om energie uit te wisselen met de omgeving. Toen die stroom dichte lucht heuvelafwaarts kwam, duwde de atmosfeer aan de voet van de heuvel op die stroom, omdat de druk daarbeneden hoger was. Op iets duwen is een manier om het energie te geven. Stel je maar voor dat afzonderlijke luchtmoleculen de buitenkant raken van een ballon die op ze afkomt. Ze zullen eraf kaatsen met meer energie dan ze aanvankelijk hadden, omdat ze van een bewegend oppervlak af kaatsen. Het volume van de lucht in de Santa Anawinden nam dus af omdat de lucht werd samengedrukt door de omringende atmosfeer. Daardoor kregen de luchtmoleculen in die luchtstroming extra energie en steeg de temperatuur van de wind. Dit wordt ‘adiabatische opwarming’ genoemd. Zodra de Santa Anawinden komen, is iedereen in Californië extra op zijn hoede voor open vuur. Als zulke warme, droge lucht een paar dagen lang het vocht aan de omgeving heeft onttrokken, kan een vonk al een natuurbrand ontketenen. En de warmte is niet alleen afkomstig van de Californische zon – de hoge temperatuur wordt ook veroorzaakt door de extra energie die de gasmoleculen krijgen wanneer ze opeen worden geperst door dichtere lucht vlak bij de oceaan. Alles wat de gemiddelde snelheid van luchtmoleculen verandert, zal de temperatuur veranderen.

Hetzelfde gebeurt in omgekeerde richting wanneer je slagroom uit een spuitbus spuit. De lucht in de slagroom die naar buiten komt, zet opeens uit en duwt tegen zijn omgeving. Daardoor geeft die lucht energie weg en koelt hij af. Dat is ook de reden dat de tuit van de spuitbus koud aanvoelt: het gas dat erdoorheen komt, geeft zijn energie weg zodra het in de vrije atmosfeer komt. Er blijft minder energie achter, zodat de bus koud aanvoelt.

Luchtdruk is gewoon een maat voor de kracht waarmee al die piepkleine moleculen tegen een oppervlak stoten. Normaal gesproken merken we daar niets van omdat er van alle kanten op dezelfde manier wordt geduwd. Als ik een vel papier omhooghoud, beweegt het niet omdat er van beide kanten even hard wordt geduwd. Er wordt door de lucht voortdurend druk op ons uitgeoefend, maar dat voelen we nauwelijks. Daarom duurde het lang voordat men wist hoe hard er eigenlijk wordt geduwd, en uiteindelijk kwam het antwoord als een schok. Het was een belangrijke ontdekking, en dat zal niemand destijds zijn ontgaan, want ze werd op een bijzonder memorabele manier gedaan. Het komt niet vaak voor dat een serieus wetenschappelijk experiment wordt opgezet als een groots spektakel, maar dit experiment had de juiste ingrediënten: paarden, spanning, een verbazingwekkend resultaat en de keizer van het Heilige Roomse Rijk onder de toeschouwers.

Het probleem was dat je eigenlijk alleen kunt bepalen hoe hard lucht op iets duwt als je alle lucht aan de andere kant weghaalt, zodat er een vacuüm ontstaat. Aristoteles had in de vierde eeuw v.Chr. verklaard dat ‘de natuur een leegte verafschuwt’, en zo dacht men er duizend jaar later nog over. Het leek uitgesloten dat je een vacuüm kon creëren. Maar omstreeks 1650 vond Otto von Guericke de eerste vacuümpomp uit. Hij schreef er geen technische verhandeling over om vervolgens in de vergetelheid te raken, maar besloot op spectaculaire wijze te laten zien wat hij had ontdekt. Het hielp waarschijnlijk dat hij een bekend politicus en diplomaat was en op goede voet stond met de heersers uit zijn tijd.

Op 8 mei 1654 voegde Ferdinand III, keizer van het Heilige Roomse Rijk en heerser over een groot deel van Europa, zich bij zijn hovelingen voor de Reichstag in Beieren. Otto kwam aanzetten met een holle bol met een doorsnede van 50 centimeter, gemaakt van dik koper. De bol bestond uit twee helften met een gladde, vlakke rand. Op elke helft zat een oog waaraan een touw kon worden geknoopt om de helften uit elkaar te trekken. Otto vette de gladde randen in, duwde de twee helften tegen elkaar en haalde met zijn nieuwe pomp de lucht uit de bol. Toen de lucht uit de bol was gezogen, gedroegen de twee helften zich alsof ze op elkaar waren gelijmd, hoewel er geen lijm aan te pas was gekomen. Otto had begrepen dat hij met behulp van zijn vacuümpomp kon zien hoe hard de atmosfeer kon duwen. Miljarden minuscule luchtmoleculen botsten aan alle kanten tegen de buitenkant van de bol en duwden de helften tegen elkaar. Maar er zat niets in de bol wat terugduwde.2 Je kon de twee halve bollen alleen uit elkaar trekken als je harder kon trekken dan de lucht duwde.

Toen werden de paarden erbij gehaald. Aan weerszijden van de bol werd een span paarden neergezet, die allebei een andere kant op trokken, alsof ze een touwtrekwedstrijd hielden. Onder het toeziend oog van de keizer en zijn gevolg zetten de paarden zich schrap tegen de onzichtbare lucht. Het enige wat de bol bij elkaar hield, was de kracht van luchtmoleculen die op een ding ter grootte van een strandbal botsten. Maar dertig paarden konden de bol niet uit elkaar trekken. Toen het touwtrekken was afgelopen, draaide Otto het ventiel open om lucht in de bol te laten, en vielen de twee helften gewoon van elkaar. Het was wel duidelijk wie er gewonnen had. De luchtdruk was veel sterker dan men had gedacht. Als je alle lucht uit een bol van die afmeting haalt en hem verticaal ophangt, kan de opwaartse druk van de lucht in theorie 2000 kilo dragen, het gewicht van een grote volwassen neushoorn. Dus als je een cirkel met een diameter van 50 centimeter op de vloer tekent, is de druk van de lucht op dat stukje vloer ook gelijk aan het gewicht van een 2000 kilo zware neushoorn. Die piepkleine onzichtbare luchtmoleculen botsen echt heel hard tegen ons op. Otto gaf deze demonstratie talloze malen voor verschillende toeschouwers, en de helften van de bol werden vernoemd naar zijn woonplaats en kwamen bekend te staan als ‘de Maagdenburger halve bollen’.

Otto’s experimenten werden deels beroemd omdat anderen erover schreven. Zijn ideeën raakten bekend in wetenschappelijke kringen door een boek van Gaspar Schott, dat werd gepubliceerd in 1657. Robert Boyle en Robert Hooke kregen het idee voor hun experimenten met betrekking tot de druk van gassen toen ze over Otto’s vacuümpomp lazen.

Je kunt een versie van Otto’s proef zelf uitvoeren. Daar heb je geen paarden of keizers voor nodig, maar wel een stuk dik, vlak karton dat groot genoeg is om over de opening van een glas te leggen. Je kunt de proef het best boven de gootsteen doen, voor het geval dat. Vul het glas tot aan de rand met water en leg het karton erop. Druk het stevig op de rand van het glas, zodat er geen lucht meer tussen het wateroppervlak en het karton zit. Draai het glas om – en haal je hand weg. Het karton, dat nu het hele gewicht van het water draagt, zal blijven zitten. Het blijft op zijn plaats omdat luchtmoleculen er van onderen tegenaan botsen en het karton naar boven duwen. Met elkaar duwen ze zo hard dat ze het water makkelijk op zijn plaats kunnen houden.

Botsende luchtmoleculen zijn niet alleen handig om dingen op hun plaats te houden. Ze kunnen ook worden gebruikt om dingen te verplaatsen, en de mens was niet de eerste die daar zijn voordeel mee deed. Laten we kennismaken met een van de imposantste deskundigen ter wereld op het gebied van het manipuleren van de leefomgeving met lucht: de olifant.

Een Afrikaanse olifant is een majestueuze reus, die meestal kalm rondkuiert over stoffige droge savannen. Het familieleven van de olifant speelt zich af rond een groep vrouwtjes. Een oudere staatsvrouw, de matriarch, leidt de groep tijdens de zoektocht naar voedsel en water en neemt beslissingen over de route op grond van haar herinneringen omtrent het landschap. Het voortbestaan van deze dieren hangt niet alleen af van hun forse omvang. Elke olifant heeft weliswaar een zwaar log lijf, maar ter compensatie beschikt het dier over een van de meest delicate en gevoelige gereedschappen in het dierenrijk: een slurf. Terwijl de olifanten rondtrekken, verkennen ze de wereld voortdurend met dit merkwaardige aanhangsel, waarmee ze signalen geven, snuffelen, eten en snuiven.

Een olifantenslurf is om vele redenen fascinerend. Het is een netwerk van spieren, dat kan buigen en tillen en ongelooflijk handig is in het oprapen van dingen. Als dat alles was, zou een slurf al nuttig zijn, maar er is meer: de slurf heeft twee neusgaten die over de hele lengte lopen. Die neusgaten zijn flexibele pijpen die de snuffelende punt van de slurf verbinden met de longen van de olifant, en nu wordt het pas echt leuk.

Wanneer onze olifant en haar familiegroep naar een waterpoel lopen, is de ‘stilstaande’ lucht om ze heen aan het duwen en botsen net als elders, en bonst tegen hun rimpelige grijze vel, tegen de grond en tegen het wateroppervlak. De matriarch loopt iets voor de groep uit en zwaait met haar slurf heen en weer, terwijl ze de poel in kuiert en haar spiegelbeeld doet golven. Ze steekt haar slurf in het water en sluit haar bek. Tegelijkertijd trekken haar borstspieren haar ribbenkast omhoog en naar voren. Haar longen zetten uit en de luchtmoleculen in de olifant verspreiden zich over de grotere ruimte. Onderaan in de punt van haar slurf, waar het koele water de lucht in haar neusgaten raakt, botsen nu minder luchtmoleculen op het water. De moleculen die er zijn, bewegen nog even snel, maar er zijn niet zoveel botsingen meer. Daardoor is de druk in haar longen nu lager. De atmosfeer is aan de winnende hand in de duwwedstrijd tussen de luchtmoleculen die op de waterpoel botsen en de luchtmoleculen in de matriarch. Er wordt van binnenuit minder hard geduwd dan van buitenaf, en het water bevindt zich precies tussen de strijdende partijen. De atmosfeer duwt het water omhoog in de slurf van de olifant, omdat er van binnenuit niet wordt teruggeduwd. Zodra het water een deel van de extra ruimte heeft ingenomen, zitten de luchtmoleculen in de olifant weer net zo dicht op elkaar als in het begin, en gaat het water niet verder omhoog.

Olifanten kunnen niet door hun slurf drinken – ze zouden gaan hoesten, net als jij, als jij door je neus zou proberen te drinken. Wanneer de matriarch zo’n acht liter water in haar slurf heeft, zet ze haar ribbenkast niet verder uit. Ze krult haar slurf omhoog en buigt het uiteinde naar haar bek. Dan drukt ze haar borstkas samen met behulp van haar borstspieren, zodat het volume van haar longen kleiner wordt. De luchtmoleculen in haar longen worden naar elkaar toe geduwd en beginnen daardoor veel vaker op het wateroppervlak halverwege haar slurf te botsen. De strijd tussen de lucht binnen en de lucht buiten wordt omgedraaid, en het water wordt uit de slurf in de bek van de olifant geduwd. De matriarch bepaalt hoe hard de lucht vanbinnen op de lucht buiten duwt door het volume van haar longen aan te passen. Als ze haar bek sluit, is haar slurf de enige plek waar iets heen kan, en zal alles wat bij het puntje van haar slurf zit naar binnen of naar buiten worden geduwd. De slurf en de longen van een olifant vormen met elkaar een stuk gereedschap om lucht te manipuleren, zodat niet de olifant zelf, maar de lucht het duwen voor zijn rekening neemt.

Wij doen hetzelfde als we door een rietje drinken.3 Als onze longen uitzetten, wordt de lucht vanbinnen verspreid over een grotere ruimte. Er zijn minder moleculen in het rietje die op het vloeistofoppervlak duwen. Zodoende duwt de atmosfeer die op de inhoud van het glas duwt, de vloeistof door het rietje omhoog. We noemen dat zuigen, maar we trekken niet aan de vloeistof. De atmosfeer doet het werk voor ons en duwt onze limonade door het rietje omhoog. Zelfs zoiets zwaars als water kan verplaatst worden als luchtmoleculen aan de ene kant harder duwen dan die aan de andere kant.

Lucht kan echter maar tot een bepaalde hoogte in een slurf of een rietje worden opgezogen. Hoe groter het drukverschil tussen de twee uiteinden, des te harder wordt er geduwd. Maar het grootste verschil dat je kunt krijgen als je zuigt, is het verschil tussen de druk van de atmosfeer en nul. Zelfs met een volmaakte vacuümpomp in plaats van longen zou je niet door een verticaal rietje kunnen drinken dat langer was dan 10,2 meter, omdat onze atmosfeer water niet hoger kan duwen. Wil je de mogelijkheden van gasmoleculen om dingen te verplaatsen dus ten volle benutten, dan zul je ze onder hogere druk aan het werk moeten zetten. De atmosfeer kan hard duwen, maar wanneer je een ander gas verhit en onder hogere druk zet, kan het harder duwen. Als je maar genoeg piepkleine gasmoleculen hebt die iets vaak genoeg en snel genoeg raken, kun je een hele beschaving verplaatsen.

Een stoomlocomotief is een ijzeren draak: een sissend, blazend, sterk beest. Nog geen eeuw geleden zag je die draken overal. Ze trokken de producten van de industrie en de benodigdheden van de samenleving van de ene plaats naar de andere en verruimden de horizon van hun passagiers. Een stoomlocomotief was een alledaags, lawaaiig en vervuilend ding, maar ook een prachtig staaltje van techniek. Veel Britse liefhebbers konden geen afscheid nemen van die draken toen ze in onbruik raakten en houden ze liefdevol in leven. Mijn jeugd in het noorden van Engeland was gedrenkt in de geschiedenis van de industriële revolutie: molens, kanalen, fabrieken en bovenal stoom. Ik denk er niet zo vaak meer aan omdat ik tegenwoordig in Londen woon. Een reisje per stoomtrein over de Bluebell Railway met mijn zus bracht het allemaal weer boven.