De Nobelprijzen voor natuurkunde in 1929, 1932 en 1933

Professor P.D. Chantepie de la Saussaye heeft mij eens gezegd, dat hij van de mogelijkheid van het beoefenen van natuurkunde niets begreep. ‘Van andere wetenschappen, zeide hij, kan ik mij ten minste zoo eenigszins voorstellen, wat men doet, wanneer men zich ermee bezighoudt. Maar het bestaan van natuurkunde is mij een raadsel. Hoe stel je je tegenover de natuur in; hoe treed je haar tegemoet, om er een wetenschap van te maken?’ Inderdaad, wie de op school geleerde natuurkunde eens wegdenkt en zich dan voorstelt, dat hij van hetgeen hij in de natuur kan waarnemen een wetenschap zou moeten maken, zou voor die opgaaf verbijsterd blijven staan. Hoe eenig aanknoopingspunt, eenig begin te vinden?

Wanneer wij ons hierin verdiepen, kunnen wij niet laag neerzien op de vele geslachten van menschen, die zich tegenover de natuur geheel anders instelden, dan wij hebben geleerd te doen. Die niet naar wetten zochten, die in het natuurgebeuren tot uiting zouden komen, maar naar daemonen, wier grilligen en dikwijls kwaadaardigen wil zij achter de gebeurtenissen in de natuur meenden te bespeuren. En die dan ook, wanneer zij een poging waagden de natuur te beheerschen, dat niet deden door het construeeren van mechanische of electrische werktuigen, maar door het opstellen van bezweringsformules en het verrichten van symbolische handelingen, bestemd om de daemonen gunstig te stemmen of ze door machtige magie aan den wil van de bezweerders te onderwerpen.

Reeds vroeg heeft men enkele natuurkundige wetten opgesteld. Men denke b.v. aan de wet van Archimedes. Maar een samenhangende systematische wetenschap is de natuurkunde

toch pas geworden in aansluiting aan het opstellen van de beginselen der mechanica door Galilei. Descartes is waarschijnlijk de eerste geweest, die een omvattend systeem der natuur ontwierp, waarin hij alles, wat toen ten tijde van natuurkunde, meteorologie en astronomie bekend was, meende te verklaren met behulp van eenvoudige mechanische wetten. Zijn verklaringen hebben den toets der critiek niet kunnen doorstaan. Maar de poging op zich zelf is een daad van groote verdienste en verstrekkende beteekenis. Sedert heeft de mechanica langen tijd gegolden als het natuurlijke uitgangspunt voor alle natuurkundige beschouwingen.

Kenmerkend is in dit opzicht de houding van den grooten Engelschen natuurkundige Maxwell, die zijn onderzoekingen verrichtte in het derde kwart der vorige eeuw. Hij had een theorie van electriciteit en magnetisme opgesteld, die geheel afweek van vroegere theorieën en waaruit volgde, dat electrische velden tijd noodig hebben om zich in de ruimte voort te planten. Hieruit volgt weer de mogelijkheid van radiotelegraphie en telefonie, die zich inderdaad ontwikkeld hebben uit een proef van Hertz, bedacht om de juistheid van Maxwell's theorie aan te toonen. Maar van deze nieuwe verschijnselen, waartoe zijn theorie zou kunnen leiden, rept Maxwell niet. De eer, waarop hij aanspraak maakt is, de electriciteitsleer te hebben gegrondvest op de ‘fundamental knowledge of dynamics’. Later heeft men de wetten van Maxwell voor het electrisch veld naast die van de Newtonsche mechanica voor de stof als fundamenteele natuurwetten aangenomen, waaruit alle andere af te leiden zouden zijn. Samen noemt men ze de ‘klassieke wetten’.

Het geloof in de juistheid van deze wetten was zoo groot, dat men er nooit toe kwam eraan te twijfelen, zelfs niet wanneer men er niet in slaagde op grond ervan rekenschap te geven van de waargenomen verschijnselen. Men gaf dan de schuld aan de gecompliceerdheid en onvoldoende bekendheid van het mechanisch systeem, waarop de wetten moesten worden toegepast. En inderdaad was dit systeem ingewikkeld genoeg. Ieder lichaam bestaat uit trillioenen moleculen en ieder molecule bevat weer een aantal electronen, die er bewegingen in kunnen uitvoeren, waarvan men toen ter tijde

nog niets wist. Maar de theoretische natuurkunde ging vooruit en slaagde erin de gecompliceerdheid de baas te worden en enkele wetten op te stellen, die zouden moeten gelden voor ieder systeem, mits het maar de klassieke wetten volgde, hoe gecompliceerd het dan ook was samengesteld958. En inplaats van hierover te juichen heeft men het aanroeren van dit punt aanvankelijk schuw vermeden, want.... de verschijnselen waren niet zoo, als zij volgens de klassieke wetten moesten zijn.

Aan Max Planck komt de onsterfelijke verdienste toe dit niet alleen erkend te hebben, maar er ook de conclusie uit getrokken te hebben, dat de klassieke wetten verworpen moesten worden. En zoo was men weer min of meer terug in den verbijsterenden toestand, geschetst in het begin van dit artikel: hoe moet ik in deze wirwar van verschijnselen licht schaffen? Maar toch, zóó verbijsterend was het niet. Al waren de fundament eele wetten weggevallen, zoo was daarmee toch het begrip natuurwet niet weggevallen. De natuurkunde had zich toch van Galilei tot Planck niet tevergeefs ontwikkeld. Allerlei begrippen waren opgesteld en mathematische methoden waren ontwikkeld en dit alles stond nu als materiaal beschikbaar voor het opbouwen van een nieuwe natuurkunde.

Planck zelf toog dadelijk aan het werk. Maar de theorie, die hij schiep zag er wonderlijk uit. Allerlei deelen van de oude plunje werden gebruikt en aangevuld met stukken van eigen vinding, die bij die oude plunje niet paste. En zoo ontstond een wonderlijk kleed, waarin de natuurkunde een tijd lang moest rondloopen. Wel slaagde hij erin op een bepaald gebied de tegenstrijdigheid van theorie en resultaten van het experimenteel onderzoek op te heffen, maar dat ten koste van de consequentie van de theorie zelf. Hij redeneerde n.l. eerst

een tijd lang alsof de oude klassieke wetten geldig waren en voerde dan plotseling de onderstelling in dat ‘vibratoren’, die hij in de atomen aanwezig dacht, de energie slechts in afgepaste porties (quanta) zouden kunnen opnemen, wat met die klassieke wetten in strijd was. De Deensche physicus Niels Bohr stelde in 1913 zijn beroemde atoomtheorie op, die geheel op Plancks theorie der quanta was gebaseerd. Hij slaagde erin voor een groot gebied der natuurkunde, waarop tot toen toe alles verward had geschenen, zonder dat men samenhangen had kunnen vinden, een weg te vinden om er de orde en samenhang in op te sporen. Maar ook hij bleef op twee gedachten hinken. Oude plunje en nieuwe begrippen waren zonderling gemengd. En zoo werden de physici heen en weer geslingerd tusschen enthousiasme over die nieuwe begrippen, die zulk een voortreffelijke lijddraad bleken bij het ontwarren van physische vraagstukken, en een gevoel van onbehagen over de inconsequentie van de theorie als geheel.

Als bijzonderheid kunnen wij nog van Bohr's theorie vermelden, dat zij wel een methode aangaf om de frequentie te berekenen van het door de eenvoudigste atomen uitgezonden licht, en dat deze frequentie overeenkomt met wat de waarneming daaromtrent had geleerd, maar dat zij van ons vergde, dat wij zouden aannemen, dat deze frequentie niet overeenkwam met de frequentie der bewegingen in het atoom, waardoor het licht werd uitgezonden. Zoolang wij geen andere theorie hadden, hebben velen zich hiermee tevreden verklaard of zelfs beweerd, dat het juist zoo mooi was, dat wij er nu aan herinnerd werden, dat het toch alleen maar een denkgewoonte (vaak misbruikt woord!) was, wanneer wij aannamen, dat een atoom, dat b.v. 5 × 10¹¹ trillingen per secunde uitvoerde ook 5 × 10¹¹ golven per secunde in den aether zou uitzenden. Maar toen Schrödinger later weer een theorie opstelde, volgens welke dit wèl het geval zou zijn, aanvaardde iedereen dat toch weer als van zelf sprekend.

Het is in het bovenstaande natuurlijk niet mijn bedoeling een ongunstig oordeel uit te spreken over het werk van Planck en van Bohr. Zij hebben de eerste schreden gezet op nog geheel ongebaande wegen, en dat is, ook als het nog wankele schreden blijken te zijn, veel verdienstelijker dan het

met vaste schreden voortschrijden op een gebaanden weg. Wat de natuurkunde aan hun te danken heeft, is enorm. Maar ik moest vooral nadruk leggen op de zwakke kanten van hun werk om de strekking duidelijk te maken van eenige andere groote theoretici, n.l. Louis de Broglie (Nobelprijswinnaar van 1929), W. Heisenberg, aan wien thans nog de Nobelprijs voor 1932 is toegekend en P. Dirac en E. Schrödinger, die gezamenlijk de Nobelprijs voor 1933 verwierven.

Het werk van deze mannen hangt ten nauwste met elkaar samen. Zonder aan andere onderzoekers, die in dezelfde richting gewerkt en belangrijke bijdragen voor de ontwikkeling der theorie geleverd hebben, te kort te doen, kan men toch zeggen, dat zij het hoofdzakelijk zijn, die de moderne golf- of quantummechanica geschapen hebben. En hiermee is een theorie verkregen, die alle voordeelen van de theorieën van Planck en Bohr in zich vereenigt zonder de nadeelen ervan. Zij is in staat van veel meer verschijnselen quantitatief juist rekenschap te geven dan Planck of Bohr vermochten te doen. En bovendien is zij consequent. Men stelt bij haar toepassing vergelijkingen als uitgangspunt op en bereikt dan, consequent verder redeneerende, het eindresultaat zonder halverwege te behoeven over te stappen op een begrippensysteem, dat bij het uitgangspunt niet past. Zij vormt een waardige, en in de toepassing veel juistere, opvolgster van de natuurkunde volgens de ‘klassieke wetten’.

Het woord ‘klassiek’ is in de natuurkunde m.i. zeer misbruikt. Toen men eenmaal had bemerkt, dat de ‘klassieke’ wetten onjuist waren en dus verouderd, is men het woord klassiek gaan toepassen op de theorieën van Planck en Bohr, zoodra er iets beters gevonden was, en zij dus in hun oorspronkelijken vorm als verouderd moesten gelden. Waarom? Het begrip verouderd wordt door het woord verouderd veel beter weergegeven, dan door het woord klassiek. Het woord klassiek geeft iets omtrent de inwendige structuur eener theorie aan. Het duidt op consequentie en evenwichtigheid. In tegenstelling zou men het streven resultaten te bereiken, onverschillig ten koste van welke sprongen en inconsequenties in de redeneering, met ‘Sturm und Drang’ kunnen aanduiden. De golfmechanica in zijn meest geache-

veerden vorm is bij uitstek de klassieke quantumtheorie.

Maar al zijn de nieuwe wetten ook klassiek, van de wetten van Newton en Maxwell voor mechanica en electrisch veld wijken zij zeer ver af. Wel konden de oude ‘klassieke’ wetten dikwijls als richtsnoer genomen worden, maar veel moest toch nieuw bedacht worden. Een van de belangrijke punten waarin het natuurbeeld der moderne quantumtheorie van dat van de negentiende eeuw afwijkt, is, dat het determinisme, dat een zoo kenmerkende doctrine van de natuurkunde der vorige eeuw vormt, in de moderne theorie overboord is geworpen. Of, zoo de geldigheid ervan niet nadrukkelijk wordt ontkend, dan wordt het toch buiten werking gesteld. Wanneer men, met Kant, aan begrippen als causaliteit alleen zin toekent in hun toepassing op mogelijke ervaring, dan zal bij afwezigheid van mogelijke ervaring, waarin het determinisme toepassing zou kunnen vinden, dit laatste zeer zeker moeten wegvallen. Toepassing echter kunnen deterministische toekomstvoorspellingen alleen vinden, wanneer het heden met voldoende nauwkeurigheid bekend is. Wanneer men niet weet hoe thans de stand en de snelheden van de punten van een mechanisch systeem zijn, kan men ook niet berekenen hoe zij over een secunde zullen zijn. En nu is een van de karakteristieke trekken van de nieuwe natuurkunde, dat men van een electron b.v. plaats en snelheid nooit tegelijkertijd nauwkeurig kan kennen.

De verklaring van deze meening is als volgt. Iedere waarneming verstoort den toestand van het waargenomen systeem op een onbekende wijze. Bepaalt men nu b.v. eerst de snelheid van het electron, dan kan men dat met zeer groote nauwkeurigheid doen. Wil men dan echter vervolgens de plaats nauwkeurig bepalen, dan zal men dit b.v. doen door het te verlichten, maar die verlichting deelt er een snelheid aan mee en wel met een onbekend bedrag. Na de plaatsbepaling kent men de snelheid dus niet meer nauwkeurig. Nadere beschouwing leert, dat de onbepaaldheid in de plaats vermenigvuldigd met de onbepaaldheid in het product van massa en snelheid niet kan dalen beneden een bepaald bedrag, ongeveer 6,5 × 10²⁷ (dit is de beroemde natuurconstante h van Planck). Naarmate men dus de snelheid nauwkeuriger bepaalt, is de plaats

minder nauwkeurig bekend en omgekeerd. Dit is de onbepaaldheidsrelatie van Heisenberg, die in de tegenwoordige natuurkunde zoo'n groote rol speelt.

Men kan dus nooit de plaats en de snelheid van een electron tegelijkertijd nauwkeurig aangeven. Wat kan men dan wel? Men kan de kans aangeven, dat een electron op een bepaalde plaats is aan te treffen en dat het een bepaalde snelheid bezit. Experimenteel bepaalt men die kans natuurlijk door metingen. Theoretisch legt men haar vast met behulp van een golffunctie. Louis de Broglie was de eerste, die heeft uitgesproken, dat aan een bewegend electron een zekere golfbeweging was verbonden. Hij kon zelfs voor een vrij bewegend electron de golflengte der erbij behoorende golf bepalen. En het bestaan van die golflengte kon experimenteel bevestigd worden met behulp van een interferentie methode, dus in principe op dezelfde wijze als men de golflengte van licht of Röntgenstralen bepaalt. Tegenwoordig vat men de intensiteit van die golf op als een maat voor de kans dat het electron op de plaats, waar die intensiteit heerscht, is aan te treffen. In verband hiermee spreekt men van ‘waarschijnlijkheidsgolven’.

Vervolgens heeft Schrödinger een vergelijking opgesteld, die toestaat de golffunctie te berekenen ook voor bewegingen in willekeurige krachtenvelden, b.v. voor de beweging van het electron in het atoom. Hierdoor is o.a. een theorie voor de spectra der elementen gegeven, die een juiste uitkomst geeft in vele gevallen, waarin het atoom-model van Bohr dit niet vermag te doen. De vergelijking van Schrödinger is tegenwoordig het uitgangspunt van de groote meerderheid der onderzoekingen op theoretisch natuurkundig gebied.

Toch is ook deze vergelijking nog niet volmaakt. Dirac heeft haar verbeterd op een wijze, dat ook de asrotatie959 der electronen, als gevolg van de vergelijking te voorschijn komt. Daardoor geeft Dirac's vergelijking goede uitkomsten in gevallen, waarin Schrödinger's vergelijking nog te kort schoot. En daarmee schijnt alles, wat van de spectra der elementen

bekend is, en nog een onnoemelijk aantal andere feiten op andere gebieden der natuurkunde, door de theorie verklaard te kunnen worden.

Is de theorie nu volmaakt? De bewegingen van de electronen om de kernen schijnt zij goed te verklaren, ofschoon het tot nu toe slechts gelukt is de bewegingen van niet al te samengestelde systemen te berekenen. Maar ook de kernen zijn nog samengesteld; en of ook de kernstructuur door Dirac's vergelijking behoorlijk beschreven kan worden, schijnt twijfelachtig. Maar ook als de kernstructuur nog tot nieuwe diepgaande verandering in de theorie leidt, zal dat geen afbreuk doen aan het feit, dat de nu door Dirac in den verst gevorderden staat ontwikkelde theorie van een ontzaglijk omvangrijk gebied van natuurkundige verschijnselen een prachtige samenvattende verklaring geeft.

Evenals dus het werk van de Broglie, Heisenberg, Schrödinger en Dirac elkaar aanvult, vormen de beslissingen van het Nobelcomité voor 1929, 1932 en 1933 één geheel.

J.D. van der Waals Jr.