De ruiten van je huis herbergen één van de diepste mysteries in het universum. Glas heeft namelijk een gespleten persoonlijkheid: het gedraagt zich als een harde vaste stof, maar het heeft de atomaire structuur van een vloeistof.
Misschien denk je nu: wat maakt dat uit? Nou, daarmee lukt het glas om twee ogenschijnlijk onverenigbare eigenschappen te verenigen – vloeistof én niet-vloeistof. De slimste natuurkundigen van de wereld breken hun hoofd er al decennia over: hoe kan dit?
En die vraag is niet alleen interessant voor theoretische fysici. Een beter begrip van glas kan leiden tot duurzamere plastics, snellere computerchips en sterkere smartphoneschermen, maar ook tot nieuwe inzichten in ziektes als astma en kanker. Jazeker, zelfs levende cellen vertonen veel kenmerken van glas, en het kraken van het glasmysterie zou daarom ook gevolgen kunnen hebben voor onze gezondheid.
Kennis over het verleden biedt hoop voor de toekomst: de natuurkunde heeft wel vaker grote problemen getrotseerd. Zo wist de Nederlandse Nobelprijswinnaar Martinus Veltman (1931-2021), samen met Gerard ’t Hooft (1946), een doorbraak in de elementairedeeltjesfysica te forceren door met een computer hardnekkige problemen ‘gewoon’ uit te rekenen.
Ook binnen de materiaalkunde vervulde de computer een onmisbare rol in het oplossen van voorheen onoplosbare vraagstukken. Inmiddels zijn computersimulaties niet meer weg te denken uit de wetenschap, en hebben ze vele nieuwe inzichten opgeleverd. Kortom, een nieuwe aanpak doet soms wonderen.
In 2021 gaan we het glasmysterie dieper doorgronden dan ooit
We staan nu aan de vooravond van een nieuwe revolutie in de fysica, ditmaal ontketend door machinelearning. De ontwikkeling van deze slimme computeralgoritmes, gecombineerd met de enorme rekenkracht van moderne computers, biedt anno 2021 ongekende mogelijkheden voor nieuw wetenschappelijk onderzoek. In het bijzonder kan machinelearning ons helpen om ‘verborgen’ patronen in datasets te ontdekken – patronen die we met het blote oog niet kunnen zien. En misschien kan het ons wel helpen met het glasmysterie.
Waarom ik daar hoopvol over ben? We weten uit de theoretische natuurkunde dat er ‘iets’ bijzonders moet zitten in de atomaire structuur van glas. De menselijke intuïtie faalt weliswaar al decennialang in het identificeren van dat ‘iets’, maar slimme algoritmes kunnen ons hopelijk wél vertellen waar we moeten gaan zoeken.
In de toekomst kunnen we zulke computer-gedreven inzichten gaan gebruiken om onze theorieën van glas te verbeteren en verfijnen, net zoals de inzet van numerieke computersimulaties in de vorige eeuw onze theoretische kennis van de materiaalkunde in een stroomversnelling heeft gebracht.
Met de nieuwe combinatie van kunstmatige en menselijke intelligentie, en de ongekende rekenkracht van nu, wordt het hopelijk mogelijk om het glasprobleem – net zoals Martinus Veltman deed voor de deeltjesfysica – ook ‘gewoon’ uit te rekenen. In 2021 gaan we het glasmysterie dieper doorgronden dan ooit.
Dit artikel is mede tot stand gekomen door inspirerende discussies met Henk Lekkerkerker, emeritus hoogleraar Fysische Chemie aan de Universiteit van Utrecht.
Over de beelden
Hannah Reede is een beeldend kunstenaar, wonend en werkend in Amsterdam. Hun werk bestaat vooral uit sculpturen en installatiekunst. Reede richt zich op de ambivalente relatie van de mens met de natuur: de wens van de mens om de natuur te beïnvloeden, te beheersen en te overheersen. Een terugkerend materiaal in hun werk is keramiek. Wat hen het meeste trekt aan dit natuurlijke materiaal is de oneindig verschillende eigenschappen. Met behulp van de juiste kennis, kun je de eigenschappen van dit materiaal veranderen. Afhankelijk van de bewerking kun je het vervolgens boetseren, gieten, dan laten opdrogen én weer recyclen tot klei. Zodra je de klei bakt, maak je van klei keramiek. Door de hardheid van keramiek, kan het materiaal ontzettend lang meegaan, maar tegelijk is het - door de breekbaarheid - ook kwetsbaar.
Dat Reede soms een uitstapje maakt naar glas is niet verrassend. Ook dit materiaal nodigt, door de bijzondere atomaire structuur, uit tot omvorming. Om het materiaal te transformeren heb je, net als bij klei, scheikundige kennis nodig. Maar maakt dat het materiaal onnatuurlijk? (Isabelle van Hemert, beeldredacteur)
Lees ook:
Wij vroegen experts, denkers en beeldmakers wat hen hoopvol maakt voor 2021 Voor een nieuwe korte serie vroegen wij, eindredacteur Anna Vossers en redactiechef Maaike Goslinga, tien experts en denkers een stuk te schrijven dat de vraag beantwoordt: wat maakt jou hoopvol voor 2021?Dit verhaal heb je gratis gelezen, maar het maken van dit verhaal kost tijd en geld. Steun ons en maak meer verhalen mogelijk voorbij de waan van de dag.
Al vanaf het begin worden we gefinancierd door onze leden en zijn we volledig advertentievrij en onafhankelijk. We maken diepgravende, verbindende en optimistische verhalen die inzicht geven in hoe de wereld werkt. Zodat je niet alleen begrijpt wat er gebeurt, maar ook waarom het gebeurt.
Juist nu in tijden van toenemende onzekerheid en wantrouwen is er grote behoefte aan verhalen die voorbij de waan van de dag gaan. Verhalen die verdieping en verbinding brengen. Verhalen niet gericht op het sensationele, maar op het fundamentele. Dankzij onze leden kunnen wij verhalen blijven maken voor zoveel mogelijk mensen. Word ook lid!
