Bruggenbouwer tussen filosofie en geschiedenis - Spinozapremie voor filosoof Lodi Nauta

Lodi Nauta, hoogleraar Geschiedenis van de filosofie aan de Rijksuniversiteit Groningen, verheldert onze kijk op de geschiedenis door een brug te slaan tussen Middeleeuwse, humanistische en moderne filosofie.

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese van juni 2016

De Spinozapremie is vernoemd naar een filosoof. Toch bent u pas de eerste filosoof die de premie sinds de instelling in 1995 ontvangt. Wat vindt u daarvan?

Twee jaar geleden won grutto-onderzoeker Theunis Piersma de Spinozapremie. Ik ben zelf een enthousiast vogelaar en het was alsof mijn belangstelling voor zowel vogels als nadenken over de wereld in Theunis samenkwamen. Nu win ik zelf die prijs. Ongelofelijk, en heel eervol. Ik zie het vooral als een erkenning voor de filosofie. Fijn dat de commissie mijn vak ook belangrijk vindt, naast de bètawetenschappen en de medische wetenschappen, die vaak in de prijzen vallen.

Hoe omschrijft u uw onderzoek tegenover mensen die niet bekend zijn met de filosofie?

We hebben allemaal gedachten over het leven. Wat is goed en kwaad? Wat is een geldige redenering? Hoe zit de wereld in elkaar? De antwoorden op deze vragen veranderen in de loop van de geschiedenis. Tegenwoordig grijpen politici en commentatoren te pas en te onpas terug op het belang van de Verlichting. Hoe is die nadruk op de Verlichting ontstaan? Veel huidige debatten kun je niet begrijpen zonder de historische achtergrond. Ik ben gefascineerd door hoe mensen vroeger dachten over filosofische thema’s als kennis en moraal. Vaak zitten daar breukvlakken in en ik bestudeer graag de verandering van ideeën over mens en wereld op die breukvlakken.

U probeert filosofie en geschiedenis samen te brengen. Welke nieuwe inzichten heeft dat opgeleverd?

Bijvoorbeeld dat het moderne idee dat taal meer is dan een jas die je aan of uit trekt ouder is dan gedacht. Dat idee associëren veel mensen met het werk van een twintigste eeuwse filosoof als Ludwig Wittgenstein. Maar de humanisten realiseerden zich al dat taal geen neutraal medium is, maar ons denken en onze kijk op de wereld beïnvloedt. Ik heb het werk van de humanist Lorenzo Valla, een voorloper van Erasmus, bestudeerd. Valla schreef in de vijftiende eeuw al dat als je taal en argumentatie wilt bestuderen, je dat in de context van het gebruik van woorden moet doen. Hoewel er wel degelijk verschillen zijn tussen het denken van Valla en dat van Wittgenstein, vond ik ook deze opvallende overeenkomst, terwijl er vijf eeuwen tussen liggen.

Wat vindt u uw belangrijkste wetenschappelijke bijdragen?

Mijn belangrijkste bijdrage ligt op het terrein van het humanisme in de Renaissance. Ik probeer bruggen te slaan tussen deze en andere historische periodes. Een andere bijdrage is mijn studie van de twaalfde eeuw. Ik ben een van de wetenschappers die heeft laten zien dat het beeld van de Middeleeuwen als een donkere periode niet klopt. Juist in de twaalfde eeuw wordt de rede steeds belangrijker ten koste van God en de bijbel. De twaalfde eeuw was een soort Renaissance van de Middeleeuwen.

Bouwstenen voor toekomstige elektronica - Spinozapremie voor natuurkundige Bart van Wees

Onze moderne informatie- en communicatietechnologie zou niet bestaan zonder succesvolle toepassingen van kwantummechanica. Bart van Wees, hoogleraar Technische natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen, bouwt quantum devices voor een nieuwe generatie toepassingen.

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese van juni 2016

Uw onderzoek strekt zich uit over exotisch klinkende terreinen als spintronica, spincaloritronica en gekwantiseerde geleiding, maar u werkt ook aan een wondermateriaal als grafeen. Wat ziet u als de rode draad in uw werk?

De rode draad is dat ik geïnteresseerd ben in quantum engineering. Hoe benut je het feit dat elektronen zich soms als deeltjes en soms als golven gedragen? Aan de ene kant wil ik uit pure nieuwsgierigheid nieuwe kwantummechanische fenomenen in materialen ontdekken. Aan de andere kant wil ik die effecten gebruiken om bouwstenen voor de micro-elektronica van de toekomst mee te maken. Die twee stimuleren elkaar trouwens. Fundamenteel onderzoek leidt tot nieuwe toepassingen en die nieuwe toepassingen inspireren ons weer tot nieuw fundamenteel onderzoek.

Tot welke toepassingen kan uw onderzoek leiden?

Soms noemen we ons onderzoek ‘Voorbij Moore’. Decennialang is de Wet van Moore de drijvende kracht geweest achter de ontwikkeling van computerchips. Elke twee jaar verdubbelde de rekenkracht van een computerchip. Aan de Wet van Moore komt een keer een einde. Onze bouwstenen zijn dan misschien een manier om de micro-elektronica van de toekomst op te baseren.

Grafeen-devices die gebruik maken van elektronenspins kunnen bijvoorbeeld zo’n bouwsteen worden. Dat is een toepassing van wat spintronica heet. We gebruiken dan niet de lading van een elektron, maar zijn spin, zeg maar het tollen om zijn as. Hierdoor gedragen elektronen zich als kleine magneetjes. Het mooie van grafeen is dat daarin de spins over lange afstand kunnen bewegen zonder hun magnetisatierichting te verliezen. We zijn op weg om ook hier elementaire elektronicabouwstenen mee te maken.

In het algemeen heeft al ons onderzoek wel een link heeft met de halfgeleiderindustrie, de industrie die onze computerchips maakt. Dat ons onderzoek tot toepassingen leidt is zeker, maar welke bouwstenen het wel of niet halen, valt niet te voorspellen.

Bent u wel eens verbaasd hoe veel vreemde kwantummechanische effecten de natuur in petto heeft om nieuwe materialen mee te maken?

Ik denk dat ik eerder verbaasd ben over het feit dat de natuur materialen kent die helemaal geen rare eigenschappen hebben en die zo universeel zijn als bijvoorbeeld silicium. Dat de natuur materialen kent die zo goed te hanteren zijn dat we er mooie technologie van kunnen maken, vind ik minstens zo bijzonder als exotische kwantumfenomenen.

Wat ziet u als uw volgende grote uitdaging?

Het combineren van elektronica met spintronica en fotonica. We zouden hiermee hele nieuwe devices kunnen maken die zowel kunnen rekenen, wat nu elektronisch gebeurt, maar ook data kunnen opslaan, wat nu magnetisch gebeurt, en ook nog snel kunnen communiceren, wat nu met licht gebeurt.

Dankzij Big Data hebben taalonderzoekers het nog nooit zo goed gehad

Gebeurtenissen voorspellen met tweets. Of met één druk op de knop blootleggen wat er in de wereld te koop is aan meningen over een onderwerp. Dat zijn twee aankomende toepassingen van Big Data-onderzoek in teksten.

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese, april 2014

Nu teksten in de afgelopen tien jaar zo rijkelijk beschikbaar zijn geworden via het World Wide Web, kan de computer ons helpen bij het begrijpen, vertalen en het leggen van verbanden tussen al onze talige uitingen. De digitale wereld van teksten is een wereld van Big Data geworden.

Hoogleraar computationele lexicologie Piek Vossen, winnaar van de NWO Spinozapremie 2013, ontving afgelopen november een Big Data-onderzoekssubsidie voor zijn idee van een 'geschiedenisrecorder'. De geschiedenisrecorder is eigenlijk een computer die stromende nieuwsberichten verzamelt, aan elkaar koppelt, verbanden legt en zo als het ware een historisch verhaal reconstrueert, in ieder geval zoals de media het vertellen. Vossen: "Neem een zin in de krant als 'Angela Merkel zegt dat Griekenland zijn schulden moet saneren'. Om die zin op waarde te schatten, zou je willen weten: Welke krant heeft dat geschreven? Schrijven andere kranten dit ook, of wordt het elders in twijfel getrokken? Wat zei Merkel eerder over de Griekse schulden? Met de geschiedenisrecorder koppelen we nieuwsberichten automatisch aan elkaar."

Vossen heeft met zijn onderzoeksgroep aan de Vrije Universiteit Amsterdam begin dit jaar een geïntegreerd systeem afgerond dat 63.000 nieuwsberichten in een week op deze manier verwerkt. De commerciële informatiemakelaar LexisNexis, waarmee Vossen samenwerkt, verzamelt op een werkdag maar liefst 1,5 miljoen nieuwsberichten. "Om die hoeveelheid op een enkele dag te verwerken, is nog een enorme uitdaging", zegt Vossen. "En dan gaat het niet alleen om het volume van de data, maar ook om het bepalen wat precies een gebeurtenis is en hoe we kunnen weten dat twee stukken tekst over dezelfde gebeurtenis gaan."

Dankzij de geschiedenisrecorder kunnen straks historici, journalisten, politici en wie het ook maar wil snel en eenvoudig achterhalen waar bepaalde tekstuele informatie vandaan komt, wie wat beweert, wie iemand anders weer tegenspreekt, hoeveel mensen zus beweren en hoeveel mensen zo. "De geschiedenisrecorder ontsluit een informatielaag die er wel ligt, maar die mensen op de klassieke manier niet of veel te langzaam vinden", zegt Vossen. "Wat wij straks met een druk op de knop binnen een paar seconden aan verbanden tussen teksten kunnen leveren, zou maanden kosten als je daar zelf met Google achter wilt komen. Dankzij Big Data kunnen we straks veel beter duidelijk maken wat er in de wereld te koop is aan meningen en visies."

#sarcasme

Vossens collega-hoogleraar Antal van den Bosch van de Radboud Universiteit Nijmegen heeft een groot deel van alle Nederlandse tweets sinds 2010 verzameld. Ook dat is Big Data. Met zijn medewerkers heeft hij al deze tweets onder andere onderzocht op het voorkomen van '#sarcasme'. Sommige mensen zetten dat achter een uitspraak als ze duidelijk willen maken dat deze sarcastisch is bedoeld: "thnx iedereen die ineens thuis komt. ik vind het echt niet erg als jullie heel hard praten enzo als ik slaap #sarcasme".

Van den Bosch: "Vroeger was het totaal ondenkbaar dat je een emmer in de taalstroom hield en even vierhonderdduizend in het wild voorkomende sarcastische opmerkingen binnen hengelde. Het gebruik van hashtags in sociale media heeft eigenlijk een nieuwe informatielaag in taal gecreëerd."

Hiermee kunnen van den Bosch en zijn collega's bijvoorbeeld automatisch analyseren welk sentiment er rond een bepaalde gebeurtenis hangt. Bedrijven willen graag een automatisch filter hebben dat vertelt wat hun klanten over ze denken.

Samen met twee promovendi werkt van den Bosch nu aan het voorspellen van gebeurtenissen op basis van Twitterberichten: "De vraag is dan of we in staat zijn uit tweets op te maken wanneer een bepaalde gebeurtenis gaat plaatsvinden: een illegale houseparty bijvoorbeeld, of een protest of een andere samenscholing."

Natuurlijk kleven er ook nadelen aan de Big Data-aanpak van teksten die zomaar van het internet worden geplukt. Van den Bosch: "De kwaliteit van Big Data op sociale media is niet altijd even goed, de herkomst is lang niet altijd duidelijk en het is vaak moeilijk om dezelfde data te repliceren. Maar over het geheel genomen zou ik zeggen: tel je zegeningen. Dankzij Big Data hebben we het als taalonderzoekers nog nooit zo goed gehad."

[kader:]
Big Data - Wat is dat?

'Big Data' is het buzzword van de laatste jaren: grote databergen - afkomstig van websites, sensoren, apps, winkels, ziekenhuizen en wetenschappelijke experimenten. Maar hoe groot is groot? Ter vergelijking: De LHC-deeltjesversneller in Genève produceert zo'n vijftien petabyte aan data per jaar (1 petabyte is 10^15 bytes). Dat komt overeen met de informatie op drie miljoen dvd's. In het land van de Big Data is deze deeltjesversneller tegenwoordig nog maar een kleintje. De wereldwijde hoeveelheid zakelijke e-mails was in 2012 maar liefst tweehonderd keer zoveel. Op Facebook werd in datzelfde jaar twaalf maal zoveel data geplaatst als de LHC in een jaar produceert. De zoekindex van Google bevatte in 2012 zesmaal zoveel aan data als de jaarlijkse dataproductie van de LHC. Naast de grootte van de data kenmerken tekstuele Big Data zich ook doordat ze met grote snelheid worden geproduceerd en dat ze een grote variëteit hebben. Vooral dat laatste maakt het analyseren van Facebook- of Twitterdata een veel diversere taak dan het analyseren van de data van de LHC-deeltjesversneller. In een tekst hebben korte letterreeksen al betekenis. Talige data zijn daarom extreem rijk aan informatie.

“Wij willen het kat-en-muisspel stoppen”

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese, mei 2011

Criminelen liepen tot nu toe altijd een stap voor in het kraken van lichtgewicht cryptosystemen zoals bankpasjes, chipkaarten en andere mobiele apparaten. Krzysztof Pietrzak ontwikkelde samen met een collega het eerste theoretische model voor een inherent veilig, lichtgewicht cryptosysteem. Afgelopen november won de onderzoeker van het Centrum Wiskunde & Informatica een Europese subsidie van 1,1 miljoen euro om zijn onderzoek in de komende vijf jaar uit te bouwen. 

De interviewer legt zijn alledaagse pasjes open en bloot op tafel, voor de ogen van de crypto-onderzoeker: twee bankpasjes met elk een magneetstrip en een chip, een OV-chipkaart en een bibliotheekpasje. Kan de onderzoeker de zwakke punten aanwijzen? Crypto-onderzoeker Krzysztof Pietrzak van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) kijkt bedachtzaam en zwijgt even. Wil hij de interviewer niet te bang maken? Per slot van rekening is hij degene die de drempel zo hoog mogelijk probeert te maken om zulke kaarten te kraken.

Waar ligt de gevoeligheid van dit soort beveiligde pasjes? 
“Cryptografen zoals ik gingen jarenlang uit van een black-box-model. Dat neemt aan dat een cryptosysteem zoals een pasje veilig is wanneer het theoretische model van het cryptosysteem maar bewezen veilig is. Bewezen veilig betekent dat de black box zijn berekeningen perfect verborgen houdt. In het black box-model kan een kwaadwillende alleen het invoer-uitvoergedrag van het cryptosysteem observeren, maar komt hij niets te weten over wat er in de black box gebeurt. De cryptografie die dit model gebruikte, is extreem succesvol geworden en ligt aan de basis van uiteenlopende toepassingen zoals internetbankieren en online winkelen. Met de black box-aanpak werd de cryptografie een echte wetenschap en kon ze bewijzen dat de gebruikte onderliggende wiskundige modellen veilig zijn.

“De aanname van dit model is dat de fysieke implementatie van de beveiliging er niet toe doet. De fysieke implementatie is bijvoorbeeld de chip, de magneetstrip of de identificatie met radiogolven via de radio-frequency identification tag ofwel RFID. Van dat laatste maakt onder andere de OV-chipkaart gebruik. De afgelopen jaren hebben we echter meer en meer voorbeelden gezien dat kwaadwillenden juist via lekken in die fysieke implementatie een systeem proberen te kraken.”

Welke fysieke informatie kan dan weglekken? 
“Een bekend voorbeeld is het kraken van het KeeLoq-systeem waarmee je de autodeur draadloos kunt openen met je autosleutel. Idealiter kan alleen iemand die deze sleutel heeft de deur openen. Maar in 2008 is aangetoond dat je uit een gedetailleerde analyse van het elektriciteitsverbruik van de chip, die zowel in de sleutel als in het slot zit, voldoende informatie kunt halen om de cryptosleutel te achterhalen. Tijdens het openen van de deur lekt er namelijk fysieke informatie over de cryptosleutel naar buiten.

“Een ander voorbeeld is het kraken van de zogeheten RSA-cryptografie, een van de meest succesvolle cryptotoepassingen. RSA gaat uit van een heel groot getal dat het product van twee priemgetallen is. Als dat getal maar groot genoeg is, is het volgens de wiskundige theorie zeer onwaarschijnlijk om uit te rekenen wat die twee priemgetallen zijn. En die twee priemgetallen zijn nodig om het systeem te kraken. Maar het cryptosysteem houdt niet op bij het wiskundige model voor RSA. Het blijkt dat het fysiek meten van de rekentijd van het cryptosysteem extra informatie oplevert waarmee RSA gemakkelijker is te kraken. Je valt het systeem dus niet aan via het hoofdkanaal, het onderliggende wiskundige model van RSA, maar via een zijkanaal: het lekken van informatie over de rekentijd.

“Beveiliging is altijd fysiek geïmplementeerd. Bij mobiele toepassingen lekt er altijd fysieke informatie naar de omgeving. Dat is niet alleen het elektriciteitsverbruik of de rekentijd, het kan ook straling zijn, informatie in het tijdelijke geheugen van een computer, of zelfs het geluid van iemand die op een toetsenbord tikt. Criminelen zijn steeds creatiever in het benutten van die fysieke lekken in beveiligde systemen. En omdat de toepassingen van lichtgewicht mobiele beveiligde systemen alleen maar toenemen, wordt het steeds aantrekkelijker die lekken te benutten. Fysieke lekken zijn inmiddels de zwakste schakel geworden. Iemand die je smartcard voor een paar minuten in hand heeft, kan zo’n passieve aanval gebruiken.”

Welke tegenmaatregelen zijn dan nodig voor een betere veiligheid? 
“Jarenlang bleef het bij ad-hoc oplossingen. Voor elk fysiek lek werd apart een oplossing bedacht. In het geval van het meten van de rekentijd van een chip, zoals bij RSA, bijvoorbeeld door te zorgen dat de rekentijd kunstmatig onafhankelijk werd gemaakt van cryptosleutel. In het geval van het meten van het elektriciteitsverbruik, zoals bij de autosleutel, door extra transistoren tussen de batterij en de chip te plaatsen. Daardoor vlakt de curve van het elektriciteitsverbruik af en kan een aanvaller er veel minder zinvolle infromatie uit halen. Door echter alleen ad-hoc-oplossingen te zoeken, bleef het een kat-en-muis-spel tussen de mensen die cryptosystemen ontwikkelen en zij die ze willen kraken. Wij willen dat kat-en-muis-spel stoppen. Hoe kun je een cryptosysteem inherent veilig maken? Dat is de hamvraag.”

Dat klinkt als een illusie. Hoe kun je een systeem tegen elke mogelijke aanval verdedigen? 
“In 2008 heb ik met een collega het eerste model ontwikkeld dat de veiligheid van een systeem analyseert tegen willekeurig welke passieve fysieke aanval. Het enige dat wij aannemen is dat er bij elke aanval een bepaald aantal bits naar buiten lekt. Welke informatie dat is en via welk kanaal het lekt, maakt niet uit. De vraag is dan hoe je je systeem moet ontwerpen zodanig dat het ondanks het naar buiten lekken van dat aantal bits nog steeds veilig blijft. Ons model was een eerste aanzet om een inherent veilig systeem te maken. Inmiddels heeft ons werk in zo’n honderd publicaties navolging gekregen en in 2010 werd het voor het eerst in een prototype geïmplementeerd. Maar voordat het zijn weg vindt in commerciële toepassingen zijn wel weer een aantal jaren verder.”

Waar ligt de uitdaging voor de komende jaren? 
“De eerste grote uitdaging is om een inherent veilig systeem ook rekenefficiënt te maken. Het probleem is dat die twee elkaar bijten. Hoe veiliger het cryptosysteem, hoe langer de rekentijd om die veiligheid te bereiken. In de praktijk wil je die tijd natuurlijk beperken omdat een bevoegde gebruiker van een pasje of een sleutel zo snel mogelijk toegang wil krijgen. Een deel van ons onderzoek van de komende jaren richt zich op het vinden van een optimum voor dit probleem.

“Een tweede grote uitdaging ligt in een heel ander soort aanval: geen passieve aanval zoals het meten van lekkende informatie, maar een actieve aanval. Criminelen kunnen de fysieke implementatie van een cryptosysteem bewust stuk maken om te kijken hoe het systeem zich dan gedraagt. Ze kunnen een smartcard in een magnetron stoppen of met een elektronenprobe verbindingen op een chip stuk maken. Het blijkt dat ze daar informatie uit kunnen halen die het gemakkelijker maakt het cryptosysteem te kraken. Voor dit soort actieve aanvallen hebben we nog helemaal geen theoretische modellen waarmee we een betere bescherming kunnen ontwikkelen. Daar ligt een belangrijk nieuw onderzoeksterrein.”

Waarom ben je voor je onderzoek naar Nederland gekomen? 
“Toen ik nog aan de ETH in Zürich studeerde ben ik onderwijsassistent geweest van Ueli Maurer, een wereldtopper op het gebied van cryptografie. Hij gaf geweldige colleges en heeft me geïnteresseerd voor het vakgebied cryptografie. Ronald Cramer, die nu de groepsleider is van van de cryptogroep bij het Centrum Wiskunde & Informatica, is postdoc geweest bij Maurer. Ik kende Ronald dus al en ik wist dat hij een cryptogroep van wereldniveau heeft. Ronalds groep heeft gemiddeld zo’n tien onderzoekers en was tijdens de grote cryptoconferenties van de laatste jaren op het terrein van de theoretische cryptografie een van de productiefste van alle onderzoeksgroepen. Ook haalde de groep de helft van de Best Paper-awards bij de twee top-cryptoconferenties van de laatste vier jaar. Het is dus een aantrekkelijke groep om in te werken. Op mijn huidige onderzoekspositie heb ik gewoon gesolliciteerd. Qua onderzoeksstijl zie ik niet echt verschillen met Zürich en Parijs, waar ik eerder heb gewerkt. Op al deze drie plekken hebben onderzoekers veel vrijheid.”

Onderzoek naar cryptosystemen klinkt als iets spannends en geheimzinnigs. Iets wat mensen associëren met het kraken van de Duitse Enigmacodering tijdens de Tweede Wereldoorlog bijvoorbeeld. Is dat spannende ook wat je in je onderzoek aantrekt? 
“Nou nee. Ik ben toch vooral een wetenschapper die op een fundamenteel niveau over cryptosystemen nadenkt. Voor mij ligt de aantrekkingskracht in het multidisciplinaire karakter van mijn onderzoek. Beveiliging tegen fysieke lekken is een combinatie van informatica, wiskunde, natuurkunde en ingenieurskunde. Mijn eigen fascinatie ligt bij de wiskundige modellen die aan de theoretische basis van de beveiliging liggen. Daarbij vind ik het fijn dat de wiskundige technieken die wij gebruiken heel divers zijn en variëren van informatietheorie en complexiteitstheorie tot getaltheorie en algebra. Bij het zoeken naar welke techniek je gaat gebruiken kun je kiezen waar je goed in bent. Cryptografie is een heel beweeglijk veld.”

[kader:] CV Krzysztof Pietrzak 


Krzysztof Pietrzak (Poznan, 1977) werd geboren in Polen en verhuisde op zijn zesde met zijn ouders naar Zwitserland. Hij studeerde informatica aan de ETH in Zürich, waar hij promoveerde op het terrein van de cryptografie. Daarna vervolgde hij zijn loopbaan als postdoc voor een jaar aan de École Normale Supérieure in Parijs. In 2007 verhuisde hij naar Amsterdam om aan het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) onderzoek te doen in de groep Cryptology and Information Security van Ronald Cramer.

In november 2010 won Pietrzak een ERC-beurs van 1,1 miljoen euro van de Europese Unie voor onderzoek naar bewijsbare beveiliging tegen fysieke crypto-aanvallen. Met het geld van de ERC-beurs kan hij in de komende vijf jaar twee promovendi en twee postdocs aantrekken. De ERC-beurzen zijn bedoeld om jonge toponderzoekers baanbrekend onderzoek te laten doen. De beurzen maken deel uit van het Zevende Kaderprogramma voor wetenschappelijk onderzoek van de EU.

Internet
http://homepages.cwi.nl/~pietrzak/ 

Van stof tot ster en weer terug

Welke rol spelen moleculen bij de vorming van sterren en planeten? Hoe zijn de chemische bouwstenen voor leven ontstaan? Dat zijn enkele van de onderzoeksvragen uit het nieuwe NWO-programma astrochemie. 

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese, oktober 2010

Het grootste deel van het heelal is extreem koud en leeg en wordt ook nog eens doorzeefd met gevaarlijke straling. Niet bepaald een gunstige omgeving voor de vorming van moleculen. Daarvoor moeten atomen of ionen namelijk stabiele bindingen met elkaar aangaan. Toch komt molecuulvorming in het heelal veel vaker voor dan decennialang werd gedacht, van eenvoudige vormen als moleculair waterstof tot complexe koolwaterstoffen die uit tientallen atomen kunnen bestaan.

De technische vooruitgang van telescopen heeft het mogelijk gemaakt om niet alleen natuurkundige aspecten van het heelal te onderzoeken, maar ook de scheikundige: hoe vormen moleculen zich onder ogenschijnlijk vijandige omstandigheden? In de jaren zeventig en tachtig begonnen astronomen voor het eerst oog te krijgen voor de rol van moleculen in de ruimte. Langzamerhand ontwikkelde zich uit de combinatie van astronomie en chemie het geheel nieuwe vakgebied van de astrochemie.

Hoewel Nederlandse onderzoekers al jarenlang op individuele basis bijdragen aan dit vakgebied, bestaat er sinds 1 september voor het eerst een geïntegreerd NWO-onderzoeksprogramma astrochemie (zie kader). “De astronomen weten welke onderzoeksvragen interessant zijn en de chemici kunnen helpen bij het beantwoorden daarvan”, zegt hoogleraar Xander Tielens van de Universiteit Leiden en voorzitter van de programmacommissie.

Het grote belang van de astrochemie voor de evolutie van het heelal blijkt vooral uit de chemische kringloop van elementen. Sterren die aan het eind van hun leven zijn gekomen, slingeren grote hoeveelheden materiaal de ruimte in. In de interstellaire ruimte wordt dit materiaal gebombardeerd door straling en deeltjes waardoor het chemisch verandert. De nieuw gevormde stoffen dienen vervolgens als bouwmateriaal voor de vorming van een volgende generatie sterren en planeten. Zo sluit de chemische kringloop zich: van stof tot ster en weer terug.

“De belangrijkste vraag voor astrochemici is wat de rol is van moleculen in deze kringloop”, zegt Tielens. “Spelen ze alleen een passieve rol of juist ook een actieve rol? En als ze een actieve rol spelen, welke rol is dat dan precies?”

Klontering
Een belangrijke motivatie voor het NWO-onderzoeksprogramma astrochemie vormde het in aanbouw zijnde Atacama Large Millimeter Array, kortweg ALMA. ALMA wordt een verzameling van tenminste vijftig radiotelescopen op vijf kilometer hoogte in de Chileense Atacamawoestijn. Naar verwachting gaat ALMA vanaf eind 2011 de vorming van sterren en planeten in het vroege universum in beeld brengen.

“Nederland is heel actief in ALMA,” zegt Tielens, “onder andere met het ontwerpen van detectoren. Voor de komende tien jaar wordt ALMA voor astrochemici een belangrijk instrument. Met een betere resolutie dan ooit tevoren kunnen we dan gaan bestuderen welke rol moleculen spelen in de met gas en stof gevulde schijven rond jonge sterren. Het zijn deze zogeheten protoplanetaire schijven waarin zich nieuwe planeten kunnen vormen.”

Een van de onderzoekers die binnen het nieuwe astrochemieprogramma gebruik hoopt te gaan maken van ALMA is Inga Kamp, universitair docent aan de Rijksuniversiteit Groningen. Kamp is vooral geïnteresseerd in het beginstadium van de planeetvorming. In het begin bevat een protoplanetaire schijf typisch 1 massaprocent stof en 99 massaprocent gas. Het stof bestaat voornamelijk uit silicaten en grafiet. Het gas bevat onder andere moleculair waterstof, koolstofmonoxide, koolstofdioxide en acetyleen. Kamp: “Hoewel er veel meer gas dan stof in de schijf zit, weten we minder van de rol van het gas dan van de rol van het stof. Daarom onderzoek ik juist het gas. Ik ben me gaan realiseren hoe belangrijk scheikunde is om de astronomische waarnemingen van moleculen te vertalen naar het begrijpen van protoplanetaire schijven.”

Aan het begin van de planeetvorming staan de kleine stofdeeltjes. Die gaan aan elkaar klonteren, vormen steeds grotere klonters, tot er zelfs kilometer grote rotsachtige klompen ontstaan. “Ik wil achterhalen hoe de samenstelling van de protoplanetaire schijf verandert tijdens dit proces”, zegt Kamp. “Hoe verandert de dikte van de schijf? Hoe verandert de straal? Hoe verandert de gastemperatuur op verschillende plekken in de schijf, en daarmee de chemische samenstelling? Met de Herschel Space Observatory onderzoeken we nu zo’n 250 schijven die zich in verschillende evolutionaire stadia bevinden. Dan spreken we over 1 tot 30 miljoen jaar na de vorming van de ster die zich middenin de schijf bevindt.”

Snapshots
Kamp ontwikkelt computermodellen van protoplanetaire schijven: “Ik bereken telkens een snapshot in de ontwikkeling van zo’n schijf. Alle snapshots bij elkaar vormen dan een filmpje van de evolutie van een protoplanetaire schijf.” De uitkomsten van haar modellen vergelijkt ze nu nog met die van de vorig jaar in de ruimte gestuurde Herschel-ruimtetelescoop. In de toekomst wil ze ook ALMA gaan gebruiken, die in zekere zin complementair wordt aan Herschel, vertelt Kamp. “Met ALMA kunnen we het koudste gedeelte van de schijf bestuderen, het gedeelte dat met Herschel niet zichtbaar is. Ik verwacht dan ook een mooie synergie tussen Herschel en ALMA.”

Hoe kan zij als onderzoeker profiteren van het feit dat er nu één geïntegreerd astrochemieprogramma in Nederland is gevormd? “Regelmatig zullen bijeenkomsten worden georganiseerd waarop we kennis en ervaringen gaan delen. Het is heel goed om je eigen onderzoek ook eens door de ogen van iemand anders te bekijken. Om een voorbeeld te geven: voor mij als astronoom heeft een stofkorrel in de ruimte een glad oppervlak. Maar voor een fysicus als Petra Rudolf, die ook in het astrochemieprogramma zit, is het oppervlak ruw en kan het allerlei insluitingen hebben. Juist die eigenschappen kunnen de chemie sterk beïnvloeden. Samen kunnen we dus een realistischer beeld krijgen.”

IJslagen
Waar Inga Kamp onderzoekt wat er in de protoplanetaire schijf als geheel gebeurt, bestudeert Herma Cuppen de individuele stofdeeltjes die zowel in moleculaire wolken als in protoplanetaire schijven voorkomen. Cuppen werkt nu nog als postdoc-onderzoeker aan de Universiteit Leiden, maar verhuist in januari met een ERC Starting Grant naar Nijmegen. Ze ontwikkelt deeltjessimulaties die zich over honderdduizenden jaren uitstrekken.

“Meer in het bijzonder onderzoek ik wat er qua chemie gebeurt op de stofdeeltjes die een ijslaag om zich heen hebben”, vertelt Cuppen. “Welke reacties vinden er plaats op het oppervlak? Wat is de temperatuur? Wanneer verdampt de ijslaag? Wat gebeurt er dan met de moleculen die zich op de ijslaag bevinden? Een van mijn doelen is om het inzicht wat volgt uit mijn deeltjesmodellen te gebruiken ter verbetering van de continuümmodellen zoals Inga die gebruikt.”

De met een ijslaag omhulde stofdeeltjes spelen een belangrijke rol in de temperatuurregeling van een moleculaire wolk of een protoplanetaire schijf. Omdat voor stervorming een omgeving met een lage temperatuur nodig is, spelen ze dus ook al een belangrijke rol voor de stervorming. Daarnaast worden uit het samenklonteren van zulke kleine ijsdeeltjes kometen gevormd.

Cuppen vergelijkt haar deeltjessimulatie in eerste instantie met laboratoriumexperimenten van haar Leidse collega’s. “Ik probeer mijn simulatieresultaten ook wel te vergelijken met astronomische waarnemingen, maar dat is toch een stuk moeilijker omdat die vaak grote inhomogene gebieden bestrijken.”

Een van de grote vragen die astrochemici proberen te beantwoorden is hoe water op aarde terecht is gekomen. Alles lijkt er op dat er al vroeg na de vorming van de aarde water was. Cuppen: “Maar hoe is het daar terecht gekomen? Via kometen met een ijslaag? Of ontstond het al met de vorming van planeet aarde? Als we meer weten over waar ijslagen precies voorkomen, kunnen we een beter idee krijgen voor de waarschijnlijkheid van de verschillende scenario’s.”

Cuppen is opgeleid als scheikundige en belandde min of meer bij toeval in de astrochemie. “Tot mijn verrassing zag ik dat de astronomie ook voor de chemie een heleboel interessante onderzoeksvragen heeft. En al die vragen hebben uiteindelijk toch te maken met de oorsprong van onszelf.”

Grootste moleculen Behalve dat het onderzoeksprogramma astrochemie aansluit bij nieuwe telescopen zoals ALMA en de James Webb Space Telescope, sluit het ook aan bij bestaande Nederlandse onderzoeksfaciliteit zoals de vrije-elektronenlaser FELIX van het instituut FOM Rijnhuizen en het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) van de Rijksuniversiteit Groningen.

“De grootste moleculen die in de ruimte voorkomen”, zegt hoogleraar Xander Tielens, “zijn de zogeheten polyaromatische koolwaterstoffen. Die komen veel in stofwolken voor. We weten dat deze uit elkaar kunnen vallen en moleculaire ringen of ketens kunnen vormen. Maar we weten niet precies hoe dat proces chemisch werkt. Dat gaan we onderzoeken door de koolwaterstoffen te bombarderen met verschillende soorten straling. Daarvoor gaan we zowel de FELIX-laser gebruiken als de deeltjesversneller van het KVI.”

Tielens benadrukt dat het NWO-programma naast het onderzoek nog een belangrijk doel dient: “Via zomerscholen en andere trainingen krijgen promovendi namelijk voor het eerst een specifieke opleiding die de astronomie combineert met de chemie en de fysica. Met het oog op de nieuwe telescopen ALMA en James Webb Space Telescope is het belangrijk dat we via dit opleidingsprogramma de onderzoeksleiders van de toekomst trainen.”


[kader:]
Onderzoeksprogramma Astrochemie in het kort

Op 1 september 2010 is het NWO-onderzoeksprogramma Astrochemie officieel van start gegaan. Over een periode van vijf jaar heeft NWO 2,8 miljoen euro beschikbaar gesteld voor vier onderzoeksthema’s: (1) de vorming, vernietiging en excitatie van eenvoudige moleculen in de gasfase; (2) de rol van stof en ijs in het heelal; (3) de chemische evolutie van polycyclische aromatische koolwaterstoffen; en ten slotte (4) het ontstaan van de chemische bouwstenen van leven.

Het onderzoeksprogramma is bottom-up tot stand gekomen: in onderling overleg hebben de onderzoekers zelf voorgesteld welke onderzoeksvragen zij belangrijk vinden en hoe die het beste aansluiten bij waar Nederland goed in is. Een internationaal wetenschappelijk panel heeft de voorstellen vervolgens bijgeslepen tot het huidige astrochemieprogramma.

In het programma werken vaste-staf-onderzoekers, post-docs, promovendi en studenten samen, afkomstig van de Universiteit Leiden, de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universiteit in Amsterdam, de Radboud Universiteit Nijmegen, de Rijksuniversiteit Groningen (Kernfysisch Versneller Instituut, Kapteyn Instituut en Zernike Instituut) en het FOM-instituut voor plasmafysica Rijnhuizen.

Internet

www.nwo.nl/astrochemie NWO-programma astrochemie
www.almaobservatory.org ALMA-telescoop in Chili
www.jwst.nasa.gov/ James Webb Space Telescope
http://herschel.esac.esa.int/ Herschel-ruimtetelescoop
www.rug.nl/kvi/index Kernfysisch Versneller Instituut (KVI)
www.rijnhuizen.nl/felix/ De vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-instituut Rijnhuizen

Sanskrietverzen zingen de wiskunde

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese van augustus 2010

Het boek Mathematics in India plaatst de traditionele Indiase wiskunde voor het eerst ten volle in een culturele context van kalenderproblemen, astrologie en heilige altaren.

“De wijze koning wiens leger verslagen is, verzamelt de beste raadgevers om zich heen en blijft in alles standvastig; dan verslaat hij de koning wiens leger nog niet vernietigd is...”

Nee, dit is niet het begin van een Grieks of Romeins epos. Dit is het begin van een Indiaas vers dat een wiskundige berekening beschrijft. Het bezingt hoe je de sinus van een hoek kunt berekenen, in de moderne wiskunde de verhouding tussen de overstaande rechthoekszijde en de schuine zijde. Het werd in het 15e eeuwse India geschreven in het Sanskriet, de heilige taal van de Indiërs. Nog vóór westerse wiskundigen dit ontdekten, wisten de Indiërs dat je de sinus van een hoek kunt uitdrukken als een oneindig lange optelsom van steeds kleiner wordende termen. Het vers codeert in letters vijf ingewikkelde getallen die je nodig hebt om de sinus via zo’n optelsom te benaderen.

“Wij beschouwen onze westerse vorm van wiskunde als vanzelfsprekend, maar dat is hij niet”, zegt Jan Hogendijk, hoogleraar geschiedenis van de wiskunde aan de Universiteit Utrecht. En de Indiase verzen illustreren dat prachtig. “De Indiërs hadden een sterk orale traditie. Verzen zijn gemakkelijk te onthouden, veel gemakkelijker dan bijvoorbeeld een reeks ingewikkelde getallen. Ze werden van meester op leerling doorverteld. Wiskundeverzen gaan heel anders met wiskundeproblemen om dan wij op school leren. De traditionele Indiase wiskunde was meer associatief dan de onze. Ze kende niet de formele vorm van ‘stelling-bewijs’ waarmee de Grieken de westerse wiskunde hebben doordrenkt.”

Rituelen

Maar zelfs al kun je Sanskriet lezen, hoe herken je zo’n vers als wiskunde? Daarvoor moet je behalve over een flinke Sanskrietkennis, ook over flink veel kennis beschikken van de Indiase culturele geschiedenis en van de wiskunde. De Amerikaanse wiskundige en Indologe Kim Plofker heeft precies die academische achtergrond. Hogendijk trok haar daarom aan om tussen 2004 en 2006 in het NWO-project MATHINDI een synthese te schrijven van de bestaande literatuur en haar eigen onderzoek aan Sanskrietteksten. Het project mondde vorig jaar uit in het kloeke academische boek Mathematics in India, dat internationaal wordt gezien als een belangrijke aanvulling op de overwegend Eurocentrische geschiedschrijving van de wiskunde.

Plofker bestudeerde de periode 500 v.Chr. tot 1800 n.Chr.. “Vrijwel alles wat tot voor kort over de Indiase wiskunde uit die tijd is geschreven”, zegt Hogendijk, “liet alleen zien welke wiskunde er werd gebruikt, maar nauwelijks in welke culturele context. Plofker heeft de Indiase wiskunde juist ten volle in haar culturele context bestudeerd.”

Die context werd vooral gevormd door de sterrenkunde. Voor het uitvoeren van religieuze rituelen moesten de Indiërs berekenen wanneer in het kalenderjaar het juiste moment was aangebroken. Daarnaast gebruikten ze de wiskunde in de astrologie, om uit de beweging van de planeten iets te zeggen over het aardse leven. En voor het ontwerpen van heilige altaren met ingewikkelde geometrische patronen hadden ze de meetkunde nodig.

De belangrijkste Indiase bijdrage aan de wiskunde is het tientallig positiestelsel. Iedereen ter wereld komt het dagelijks tegen. Hogendijk: “Blindelings drukken we getallen uit in combinaties van de tien symbolen 0, 1, ....9. De Indiërs introduceerden dit handige systeem tussen 0 en 500 n.Chr.. Tientallige rekenstelsels werden weliswaar al eerder gebruikt, maar altijd met nieuwe symbolen voor de tientallen, en geen combinaties zoals 10, 20, enz. van de symbolen 0 tot en met 9. Het Indiase systeem is uiteindelijk in de praktijk superieur gebleken aan alle andere systemen. Maar dat werd pas in de 15e eeuw in Italië duidelijk.”

Een tweede belangrijke, nog steeds gebruikte bijdrage van de Indiase wiskunde uit die tijd is de introductie van de sinus en cosinus. Deze begrippen spelen een belangrijke rol in de tak van de wiskunde die zich bezig houdt met driehoeksmetingen. De Indiërs maakten er een kunst op zich van om het rekenen met sinussen en cosinussen in verzen uit de drukken.

Wiskunde voor de lol

Uit Plofkers studie blijkt ook dat de Indiërs zich bezig hielden met wiskundeproblemen voor de lol, waarvan ze geen enkele toepassing kenden. Hogendijk: “Een beroemd voorbeeld is het raadsel om twee kwadraten te vinden, die wij nu x^2 en y^2 zouden noemen, zodanig dat ‘61 maal het ene plus een gelijk is aan het andere’: 61x^2 + 1 = y^2. In de 12e eeuw vond Bhaskara met een slimme methode de oplossing x = 226.153.980 en y = 1.766.319.049. Dit blijkt de kleinste geheeltallige oplossing te zijn.”

Bladzijde uit het Arabische manuscript Leiden, Or. 168 (11e eeuw), een van de oudste bewaarde documenten uit de Islamitische wereld waarin het tientallige positiestelsel wordt gebruikt.

Plofker bestudeerde ten slotte ook nog de invloed die de Indiase wiskunde heeft gehad op de Arabische wiskunde. Hogendijk: “De Indiase wiskunde kwam via uitwisseling met Iran in de Arabische wereld terecht. De Arabieren namen bijvoorbeeld het tientallig positiesysteem van de Indiërs over. Vervolgens creëerden zij hun eigen mengeling van Griekse en Indiase wiskunde. Zo kenden de Indiërs bijvoorbeeld een methode om de oppervlakte te berekenen van een vierhoek waarvan de hoekpunten precies door een cirkel omschreven worden. Die methode werd ook weer in versvorm uitgelegd. Maar de Arabieren waren meer gecharmeerd van de formele cultuur van ‘stelling-bewijs’ die ze van de Grieken kenden. Daarom verzonnen ze voor dezelfde methode een geniaal formeel bewijs.”

Na 1800 werd de invloed van de Engelse overheersing van India zo groot dat de traditionele Indiase wiskunde langzaam vervangen werd door de formelere westerse wiskunde. Zonder leraren om uit te leggen hoe je de wiskundeverzen moest lezen, bleek die traditie ten dode opgeschreven. Plofkers studie vult een grote lacune in ons begrip van de traditionele Indiase wiskunde op, ontmaskert mythen over de uniciteit en superioriteit van enkele Indiase wiskundige bijdragen, maar laat vooral ook zien hoe wiskunde diep geworteld kan zijn in de cultuur van een gebied.

Boek

Mathematics in India, Kim Plofker. Princeton University Press (2009)

Supersnel rekenen in dienst van de wetenschap

Credit: CERN

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese december 2009

Supercomputers zijn de Olympische rekenkampioenen. Via simulaties verrijken ze ons begrip van de wereld, of het nu gaat om sterren ver weg in het heelal, het weer en klimaat op aarde, de werking van het menselijk hart of die van medicijnen. Nederland rekent nu 25 jaar op een nationale supercomputer.

Observeren, experimenteren en theoretiseren zijn de traditionele pijlers van de wetenschap. Rekensimulaties zijn daar in de afgelopen vijftig jaar als nieuwe pijler bijgekomen. Met computerberekeningen kunnen wetenschappers simulaties uitvoeren van experimenten die in de werkelijkheid te moeilijk, te kostbaar of te gevaarlijk zijn, denk aan simulaties van sterren, aardbevingen of gasexplosies. Computerrekenen is ook de enige manier om virtueel in de toekomst te kunnen kijken, zoals bij klimaatberekeningen....

Klik op Supersnel rekenen in dienst van de wetenschap om het hele artikel als PDF te zien.

CATCH opent ons culturele verleden

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese december 2009

Wat zou het handig zijn als je via online zoekopdrachten een virtuele rondreis kunt maken langs de rijke hoeveelheid teksten, beelden en geluiden uit ons culturele erfgoed. Informatici werken samen met professionals uit culturele erfgoedinstellingen om dit mogelijk te maken.

Hoe zoek je een gesproken geluidsfragment in duizenden cd’s als de fragmenten niet of nauwelijks in begeleidende teksten staan beschreven? Dit is een van de grote opgaven waarvoor het Gemeentearchief Rotterdam staat bij het digitaal beschikbaar maken van haar geluidscollectie...

Klik op CATCH opent ons culturele verleden om het gehele artikel als PDF te zien.

Meer is echt anders

Gedeeltelijke kaart van de internetverbindingen op 15 januari 2005. Credit: The OPTE project, Barrett Lyon

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese november 2009

De financiële sector die in 2008 ineens in een wereldwijde crisis stortte; de savanne die plotseling verdort tot woestijn; hersenen die ineens schizofreen worden – dit zijn drie ernstige problemen die in complexe systemen kunnen ontstaan. Het nieuwe NWO-onderzoeksprogramma Complexiteit gaat vanaf 2010 de krachten van uiteenlopende wetenschappelijke disciplines bundelen om dit soort problemen beter te begrijpen.

Waar een enkele hersencel weinig meer doet dan wel of niet vuren, produceren honderd miljard hersencellen bij elkaar de meest ingewikkelde menselijke eigenschap: ons bewustzijn. En waar een enkele mier alleen maar een paar eenvoudige, voorgeprogrammeerde gedragsregeltjes volgt, daar bouwt een hele kolonie een nest, graaft ze tunnels, legt ze een vuilnisbelt en een begraafplaats aan zonder dat een stadsplanner met zijn mierenpoot staat te wijzen en te regelen. Dit zijn twee voorbeelden van gedrag op grote schaal (macrogedrag) dat je niet kunt verklaren door alleen naar het gedrag van de kleinste subeenheid te kijken (microgedrag)....

Klik op Meer is echt anders om het volledige artikel als PDF te zien.