ONZICHTBAAR LICHT

Evolutionair belang van straling, voor beginners en gevorderden

 

 

 

De dingen zijn niet altijd wat ze lijken, net zomin als ze lijken wat ze zijn. Zonder dat we er iets van merken beweegt de aarde met grote snelheid door de ruimte. Hedendaagse ballonvaarders zullen je verzekeren dat in de straalstroom minsten windkracht 11 heerst. De lucht rondom lijkt volkomen leeg maar bevat toch miljarden micro-organismen. Te klein om te zien, groot genoeg om zichtbaar te maken. Dat laatste geldt niet voor licht. Tenzij ze precies je oog binnendringen, zijn lichtstralen zelf onzichtbaar.

  

 

Wel eens gedacht aan een kleur die je nog nooit hebt gezien? Rood! Je ziet het onmiddellijk voor je. Droek! Je hebt geen idee wat voor kleur dat is.

   Joachim Bolt ziet de wereld in grijstinten, hij is zo kleurenblind als een tijgerhaai. Hij ziet zijn omgeving alsof deze verlicht wordt door natriumlampen in plaats van zonlicht.1

   Iedereen heeft op school geleerd dat zonlicht is samengesteld uit verschillende kleuren doordat de afzonderlijke lichtstralen verschillende golflengtes hebben. Gezamenlijk zijn ze zo talrijk dat we ze als wit licht zien, maar de (kleurgevoelige) gezichtscellen zijn voldoende klein om door afzonderlijke lichtstralen te worden geraakt. Daardoor komt er toch informatie binnen over verschillen in kleur. Omdat onze gezichtscellen niet allemaal hetzelfde zijn – staafjes en drie verschillende typen kegeltjes – kunnen we de verschillende kleuren van elkaar onderscheiden.

   Minder bekend is welke kleuren precies door die verschillende kegeltjes worden ‘gezien’. Dat zijn namelijk blauw, groen en geel2. Er zijn helemaal geen roodgevoelige kegeltjes. Hoe het komt dat we toch rood kunnen zien, kan niemand met zekerheid zeggen. Wel is het een argument om aan te nemen dat trichromatische vertebraten, en dat zijn er heel wat, ook rood kunnen zien.

   In de Rio Negro leven vissen die heel goed kunnen kijken op een diepte waar een duiker geen hand voor ogen ziet. De Rio Negro is een zogenaamde zwartwaterrivier, dat wil zeggen dat het enige licht dat daar nog een beetje doordringt rood van kleur is. En de vissen hebben echt roodgevoelige kegeltjes. In het pikkedonker (voor ons) zijn smakelijke insectenlarven door deze vissen nog uitstekend te zien (in het nabije infrarood).

   De afwezigheid van (zichtbaar) licht betekent kennelijk nog geen duisternis.

   Dat geldt ook voor menig dier aan de andere kant van het spectrum. Veel insecten hebben meer dan drie typen gezichtscellen en zijn zelfs gevoelig voor ultraviolet licht. Met een UV-gevoelige camera kun je tekeningen op bloemkronen en vlindervleugels zichtbaar maken die wij gewoonlijk niet zien. Die insecten zien dingen die voor ons verborgen zijn en bovendien zien ze kleuren waarvan wij zelfs niet kunnen dromen. Weliswaar kunnen ze dat niet in het duister, maar toch3.

   Wat wel weer in duisternis is gehuld, is de leegte.

   Met de kennis van zijn tijd beargumenteerde Aristoteles op zijn karakteristiek logische wijze dat een leegte absurd is en dus niet kan bestaan (Horror Vacuüm). Demonstraties met de Maagdenburger halve bollen toonden zijn ongelijk aan: een vacuüm is niet alleen bestaanbaar, het is nog bijzonder krachtig ook. Het luchtledige bevat weliswaar geen materie, het vormt evenmin een belemmering voor de doorgang van licht en verwante elektromagnetische golfbewegingen. Of van gravitatie- en andere krachtvelden. Louter de constatering was voor de meeste mensen afdoende, alleen pure theoretici vroegen zich af hoe dat kon.

   Aanvankelijk bleek uit berekeningen dat het vacuüm gevuld is met energie, zelfs bij het absolute nulpunt (- 273o C), hetgeen spoedig door proefnemingen werd bevestigd. De dichtheid van die nulpuntsenergie wordt op basis van de kwantum elektrodynamica (QED) nagenoeg oneindig hoog geschat (10114ergs/cm3 aan de hand van de Plancklengte). Omdat energie en massa uitwisselbaar zijn (E = mc2) heeft het vacuüm, vreemd genoeg, een ongelooflijk hoge dichtheid (3,6 x 1098 g/cm3). Die hoge dichtheid komt tot uiting door het voortdurend opduiken van virtuele deeltjes uit het ‘borrelende’ vacuüm om er vrijwel onmiddellijk weer in te verdwijnen5. Door de golf/deeltje dualiteit van materie kan het vacuüm op kwantum niveau worden opgevat als een zee van willekeurig fluctuerende elektromagnetische golven die een zogenaamd nulpuntveld vormen dat zich in alle richtingen door de kosmos uitstrekt. De magnetische en elektrische eigenschappen van dit veld geven het vacuüm haar respectievelijke doordringbaarheid en geleidbaarheid waardoor licht en gravitatie zich door het medium kunnen voortplanten (het is nou eenmaal niet mogelijk om zoiets vanzelfsprekends als de voortplanting van licht door het heelal op een simpeler manier uit te leggen).

   De ongelooflijke dichtheid van het vacuüm gaat lijnrecht in tegen onze voorstelling van een lege ruimte. Net zoals het passeren van licht door massief glas als we dat niet met eigen ogen zouden hebben gezien. De beschreven korrelstructuur van het vacuüm is het resultaat van abstract rekenwerk. Ruimtewandelaars hebben laten zien dat we ons vooralsnog geen zorgen hoeven te maken over onverwachte bewegingsvrijheid in deze ‘leegte´.

 

Regelmatig worden radioflitsen uit de ruimte opgevangen. Van ver buiten onze Melkweg. Astronomen interpreteren die als botsingen tussen neutronensterren waarbij een zwart gat wordt gevormd. Af en toe komen de flitsen uit dezelfde regio en vormen ze een onbekend, zich herhalend patroon. Voor die signalen hebben de astronomen nog geen verklaring. Sommigen suggereren dat ze verstuurd zijn door overleden popsterren die proberen contact met ons te leggen.

 

Lastig genoeg om uit te leggen hoe licht door een muur van leegte glipt, maar tot wat voor kunsten is dat licht nog meer in staat? Interferentie, luminescentie, polarisatie en zelfs coherentie zijn enkele van de capriolen waarmee licht ons kan verbazen.

   Zonder (onzichtbaar) licht zou het leven zoals wij dat kennen niet bestaan. In de oersoep ontstonden complexe verbindingen uit de overvloed van ammoniak, koolzuur en water in het licht van bliksemschichten en onbelemmerde kosmische straling. De gevormde eiwitten konden nagenoeg elke structuur hebben en zodoende soms licht absorberen en energie opslaan. Bij het ontstaan van de eerste microben speelden deze eiwitten een rol bij de energiehuishouding. Vooral de directe opname van zonlicht door chlorofyl en rodopsine is van blijvende betekenis geweest voor respectievelijk de fotosynthese en de visuele waarneming. Rodopsine zit niet alleen in ónze ogen (staafjes) maar ook in de primitieve oogvlek van het pantoffeldiertje en de meeste fotosynthese (in termen van biomassa) wordt nog steeds verricht door cyanobacteriën (blauwalgen) die de watermassa’s op aarde bevolken..

   De fotosynthese van kernloze oer-organismen veroorzaakte een revolutionaire verandering van de atmosfeer: de hoeveelheid koolzuur nam sterk af en daar kwam vrije zuurstof voor in de plaats. Voor de toenmalige levensvormen was dit een bijzonder giftig gas en het aardoppervlak werd rigoureus ontdaan van organismen die niet voldoende door water werden beschermd. Anderzijds kon dit zuurstof door kosmische straling worden omgezet in een laag ozon die nieuw leven juist bescherming bood tegen diezelfde straling. Na verloop van tijd (eerder miljarden dan miljoenen jaren!) ontstonden toen structuren die de chemische kracht van zuurstof wisten te benutten voor hun energiehuishouding. Was dat onontkoombaar of een toevalstreffer?

   Uiteindelijk bleek dat het toch voordeliger was om de energie uit zuurstof en zonlicht te combineren. Micro-organismen van velerlei kunne gingen samenwerken en vormden kolonies (endosymbiose) hetgeen de eerste eencelligen opleverde. En ten slotte ons.

   Andere pigmenten weerkaatsen een deel van het zonlicht waardoor oppervlaktes een kleur krijgen en daarmee de natuur, voor hen die er gevoelig voor zijn, een aantrekkelijk aanzien geven. Toch is het onwaarschijnlijk dat alleen de zichtbare fractie van zonlicht geëxploiteerd werd/wordt door de grote verscheidenheid aan levensvormen. Een arsenaal van onzichtbaar licht is gebruikt door de techniek (radio, röntgen, radar) en dat zou in de natuur nooit zijn benut?

   De echolocatie van vleermuizen en walvissen is gebaseerd op geluidstrillingen, maar zouden er ook dieren zijn die gebruik maken van radargolven (elektromagnetische trillingen)? Wellicht bestaan er dieren die radiogolven kunnen waarnemen. Op duistere plekken in grotten of diep onder water biedt dat ecologisch voordeel. Die dieren zouden dan wel zelf radiogolven moeten opwekken want waar zonlicht niet doordringt, wordt ook onzichtbaar licht gesmoord. Met de radiosignalen zouden soortgenoten elkaar kunnen vinden (voortplanting). Ook zou de omgeving kunnen worden gescand op eenzelfde wijze als dolfijnen en vleermuizen dat doen met geluid (sonar). Het bestaan van zulke waarnemingsstrategieën is niet onwaarschijnlijk, maar er is geen geld voor onderzoek. Medisch is het niet interessant (mensen zijn ongevoelig voor radiogolven) en technisch beschikken we al over superieure radarsystemen.

   Sommige vissen vinden prooidiertjes in de modder doordat ze het elektromagnetisch veld waarnemen dat met die radiogolven samenhangt. De radiogolven zijn het gevolg van processen binnen de celorganellen waaruit alle levende wezens zijn opgebouwd. Hun intensiteit is echter gering zodat ze alleen van heel dichtbij kunnen worden opgemerkt. Door de uiteenlopende frequenties te bundelen, kan detectie van de prooidiertjes worden verbeterd. Een hongerige vis hoeft geen afzonderlijke radiogolven te kunnen onderscheiden, als de bron ervan maar kan worden gelokaliseerd.

   Met bioluminescentie kan een organisme zijn eigen omgeving verlichten. Het duidelijk zichtbare licht kan op twee manieren ontstaan: door oxidatie van een pigment (luciferine) of door absorptie van onzichtbaar licht dat vervolgens wordt omgezet in zichtbaar licht (fluorescentie). De kleur van het licht (golflengte) wordt bepaald door de betrokken enzymen (bij oxidatie) of eiwitten (bij fluorescentie). Op dezelfde wijze zouden radiogolven kunnen worden geproduceerd. Mits organismen beschikken over orgaantjes die kunnen resoneren met radiogolven, kan onzichtbaar licht een biologische rol spelen die nog niet eerder is opgemerkt. 

   Voor hele kleine organismen zoals eencelligen en bacteriën bieden de zwakke radiogolven wellicht een middel tot communicatie en informatie uitwisseling. Hun onderlinge afstand kan immers klein genoeg zijn om de zwakke straling effectief te benutten. Dit is analoog aan de uitwisseling van coherent licht op de nog kleinere schaal van macromoleculen. Wellicht zijn door de wisselwerking emergente innovaties tot stand gekomen zoals de bacteriële kolonievorming (endosymbiose) en de intensieve samenhang van cellen (meercellige organismen).

 

De zwart-wit tekening van zebra’s is in onze ogen zeer opvallend. Voor bloeddorstige roofdieren, die overwegend kleurenblind zijn en bij voorkeur in de schemer jagen, zijn slapende zebra’s  nagenoeg onzichtbaar. Geleedpotige vampiers zoals tropische steekvliegen kunnen ook heel lastig zijn. Deze insecten worden aangetrokken door gepolariseerd licht dat door zwarte paardenharen (en dus ook de zwarte banen van de zebravacht) wordt gereflecteerd. De witte haren doen dat echter niet. Daardoor ziet een zebra er voor steekvliegen heel verwarrend uit en laten zij die liever met rust.

 

Genoemde macromoleculen zijn met een gewone lichtmicroscoop niet te zien. Om ze zichtbaar te maken, zijn elektronenbundels nodig. Als je wat uitzoomt kun je zien dat het molecuul een van de bouwstenen is van een pigmentkorrel, een kristallijne structuur die (een deel van het zichtbare) licht absorbeert. De dichtheid van de korrels (aantal per oppervlak) bepaalt de intensiteit van de absorptie. Via bepaalde elektronische componenten (CCD of CMOS) kan elektromagnetische straling worden omgezet in elektrische lading waarmee een (digitaal) beeld tot stand komt.7 Het beeld kan geprint worden met een printer die pigmentkorrels op het papier aanbrengt (bv. dispersie met koolstof). Als je verder uitzoomt kun je een tekening van donkere en lichtere vlakken onderscheiden, een schakering die wordt bepaald door de plaatselijke hoeveelheid elektrische lading die op zijn beurt weer afhankelijk is van de gedetecteerde elektromagnetische straling (bv. licht).

   Verder uitzoomen maken de afzonderlijke pigmentkorrels onzichtbaar. Wat je ziet zijn donkere en lichte vlekken, eventueel gekleurd maar dat is minder relevant. Het gaat er om dat je het waargenomen beeld (bv. een haar) pas herkent nadat je voldoende hebt uitgezoomd. En als je daarmee doorgaat (met uitzoomen) zie je een al of niet gevlekte vacht. En daarna een koeienkop, een Hollands weidelandschap, Nederland van boven, enz.

   In de dagelijkse praktijk (TV; fotografie) gaat het om zichtbaar licht, de wereld zoals we die met onze blote ogen zien. Met de moderne elektronica kun je evenwel ook het onzichtbare licht detecteren. Veel eenvoudiger dan in de vorige eeuw kun je beelden maken met straling aan weerszijde van het zichtbare spectrum. Natuurfilmers maken nachtopnames met infrarood-gevoelige camera’s en eerder werden de UV-patronen op vlindervleugels genoemd.

   Tenzij je rechtstreeks in een lichtbron kijkt – niet doen, daar kunnen je ogen niet tegen! – is gewoon licht ook onzichtbaar. We zien het alleen als het wordt verstrooid en teruggekaatst. Je kunt een lichtstraal van opzij alleen zien door verstrooiing van het licht door stofdeeltjes in de lucht. In de ‘lege’ ruimte is die lichtstraal niet te zien. De ‘lege’ ruimte is pikzwart.

   De ruimte zit evenwel vol echt onzichtbaar licht, waarvan een aanzienlijk deel door onze dampring wordt geabsorbeerd of teruggekaatst. Vanaf grote hoogte of, nog beter, vanuit satellieten kunnen allerlei soorten straling worden aangetroffen en opgevangen. Infrarode straling dringt door kosmische stofwolken en met behulp van de moderne CCD-chips kunnen we delen van de ruimte zichtbaar maken die met een lichttelescoop niet te zien zijn. Met de detectie van onzichtbaar licht zijn de talloze bronnen van röntgen- en gammastraling in het heelal veel nauwkeuriger in beeld gebracht dan voorheen mogelijk was. Bovendien is ermee aangetoond dat een zwart gat niet alleen aantrekt maar ook uitstraalt, namelijk onzichtbaar licht!8

   En dan zijn er de microgolven die vanuit elke richting van het universum met ongeveer (maar niet precies) dezelfde frequentie kunnen worden opgevangen. Deze microgolven zijn radiogolven met een frequentie van dezelfde orde van grootte als bij televisie gebruikt wordt. De ‘sneeuw’ na de uitzending (voor zover dat tegenwoordig nog voorkomt) wordt veroorzaakt door de microgolven uit het heelal. De COsmic Background Explorer heeft in het begin van de jaren 90 van de vorige eeuw de geringe frequentieschommelingen nauwkeurig in kaart gebracht. De afbeelding die met verschillende detectiemiddelen tot stand is gebracht, laat een grillig patroon zien van lichte en donkere vlakjes.9 De inmiddels wereldberoemde afbeelding van de kosmische achtergrondstraling, de echo van de oerknal, is gemaakt met onzichtbaar licht.

 

Je kunt je huisapotheek uitrusten met apparaten die onzichtbaar licht produceren. De hoogtezon levert een voldoende dosis UV-A op om het vitamine D gehalte in je huid op peil te houden (voor sterke botten en een goed immuunsysteem). De infraroodlamp produceert veel warmtestraling waarmee doorbloeding van weefsels wordt verhoogd en spierpijn kan worden bestreden.

   De uitvinding van de radio aan het eind van de 19e eeuw heeft in de kwakzalverij voor veel inspiratie gezorgd en een stortvloed aan apparaten en therapieën opgeleverd (bv. de resonantietherapie met orgonstralers; de radionica, niet te verwarren met de radiotherapie in moderne ziekenhuizen). Ook wordt nog altijd gebruik gemaakt van hoogfrequentie apparaten waarmee de huid gereinigd wordt en onvolkomenheden (wratten) kunnen worden verwijderd. Zie ook: http://www.kwakzalverij.nl/encyclopedie/kanker-zwarte-lijst/encyclopedie-kwakzalverij-met-apparaten-tegen-kanker/

  

Licht kan worden opgevat als een bundel trillingen met een golflengte van ongeveer 5.10-4 mm of als een bundel deeltjes (fotonen) die alleen in energie zijn uit te drukken: de energie van een lichtdeeltje is ongeveer 13.10-26 J. In beide gevallen veel te klein om te kunnen onderscheiden (hoewel onze staafjes gevoelig genoeg zijn om in volledig duister afzonderlijke fotonen te kunnen opmerken).
Het gaat hier niet om de bekende rood-groen-kleurenblindheid die vooral onder mannen vrij veel voorkomt, maar om de afwezigheid van het vermogen om elke kleur te kunnen zien. Deze zeldzame kwaal wordt gewoonlijk veroorzaakt het ontbreken van verschillende typen gezichtscellen in het netvlies (http://www.oogartsen.nl/oogartsen/glasvocht_netvlies/kleurenblindheid/).

Over monochromasie bij haaien zie:http://link.springer.com/article/10.1007/s00114-010-0758-8.

Bij Bolt is de oorzaak van psychologische aard. Hij ziet de wereld zoals een automobilist de verlichte snelweg ziet: door het monochromatische natriumlicht ziet hij geen verschil tussen blauwe en rode auto’s.

 

De kleugevoeligheid van de kegeltjes wordt bepaald door de absorptiespectra van de visuele pigmenten die ze bevatten: 426 nm (blauw), 530nm (groen) en 557 nm (geel) [Nature 356, 433 - 435 (02 April 1992)].

Ultraviolett straling is afkomstig van de zon. Er zijn geen natuurlijke omstandigheden waar UV kan doordringen en het zichtbare licht wordt tegengehouden.
De Plancklengte is de kleinst mogelijke lengte in het universum (gebaseerd op een aantal universele constanten) en bedraagt 1,616 x 10-33 cm (ter vergelijking: een elektron is ongeveer 10-13 cm groot).
Virtuele deeltjes zijn emergente paren van deeltjes en antideeltjes die hooguit 10-23 seconde bestaan.
Interferentie is het verschijnsel dat verschillende golflengtes elkaar versterken dan wel uitdoven. Bij levend materiaal is het vooral van betekenis bij het ontstaan van kleurpatronen (seksuele aantrekking) en mimicry (camouflage; afschrikking).

Coherentie is een speciale vorm van interferentie waarbij golflengtes in fase elkaar alleen maar versterken; het principe van de laser. In levend materiaal speelt het een rol op celniveau in de vorm van fotonen-overdracht tussen eiwitten.

Luminescentie ontstaat doordat (onzichtbaar) licht (of een chemisch proces) energie overdraagt op elektronen in de materie, waarna die elektronen de energie in de vorm van zichtbaar licht (andere golflengte) uitstraalt. In levend materiaal speelt het o.a. een rol bij het verlichten van een omgeving waar nauwelijks zichtbaar licht aanwezig is.

Gepolariseerd licht bevat alleen trillingen in hetzelfde vlak. In levend materiaal wordt het regelmatig waargenomen ten behoeve van o.a. oriëntatie en lokaliseren van voedsel.

De hoeveelheid elektrische lading (elektronen) is afhankelijk van de hoeveelheid straling dat wordt opgevangen door minuscule condensatoren die vervolgens de beeldpunten (pixels) vormen. De toegepaste fotodiodes kunnen, afhankelijk van de gebruikte materialen en constructie, een brede spectrale gevoeligheid hebben. Met behulp van filters kan dit worden beperkt tot een bepaald golflengtegebied (bv. kleur).
Zie ook: Röntgendiagnostiek in de ruimte: lijnen in het heelal (https://personal.sron.nl/~kaastra/oratie/oratie.pdf).
De lichte en donkere vlakjes zijn feitelijk gekleurde vlakjes met slechts 5 kleuren (blauw, cyaan, groen, geel en rood) die elk een golflengtegebiedje vertegenwoordigen