Dietsche Warande en Belfort. Jaargang 103

[p. 217]

Prof. Dr. P. Mariens (Leuven)
De fysica van de twintigste eeuw

Het is niet de bedoeling in dit kort overzicht de verschillende ontdekkingen van de moderne natuurkunde op te sommen, noch een licht te werpen op het onbegrensd gebied van de zo rijk gevarieerde technische toepassingen. Wij willen alleen aantonen hoe de ontdekkingen van de twintigste eeuw een revolutionaire invloed hebben gehad op de klassieke natuurkunde, wier eerste symptomen van zwakte duidelijk voelbaar werden op het einde van de vorige eeuw.

Een totale omwenteling in de ideologie, in de fundamentele noties, in de basis zelf van de fysica, heeft nieuwe gedurfde concepties doen ontstaan, waarvan de waarde door de feiten wordt bevestigd.

Als wij even in het verleden terug blikken dan stellen wij vast dat, vanaf haar ontstaan in de 17^e eeuw met Galilei en Newton, de klassieke natuurkunde zich over drie eeuwen continu en harmonieus heeft ontwikkeld. Bij elke stap, gevaloriseerd door een klaarder inzicht en een beter begrip, ontdekken de natuurkundigen steeds meer betrekkingen tussen verschillende wetten, die vroeger als onafhankelijk van elkaar werden beschouwd. Aldus slagen zij er in het geheel der waargenomen feiten onder te brengen, hetzij in de fysica van de materie, hetzij in de fysica van de zogenoemde ether, en zij zijn er vast van overtuigd dat vroeg of laat de grote verscheidenheid van de natuurwetten zal kunnen ondergebracht worden in één enkel kader met mechanisch en energetisch karakter. Op geen enkel ogenblik denken zij er aan te twijfelen aan of kritiek uit te brengen op de klassieke fundamentele begrippen, die aan de basis liggen van de Newton-procedure en waarvan de klare en intuïtieve evidentie à priori wordt aanvaard.

Trouwens, in de periode van vijftig jaar, die de krisis voorafgaat, schijnen de successen van de experimentele en theoretische natuurkunde de onaantastbare waarde van de aangenomen basis te bevestigen. Het is wel waar dat de experimentatoren enkele feiten waarnemen, die op het eerste gezicht onverklaarbaar schijnen, (denken wij aan de Röntgen-stralen, de radioactiviteit, de spectraallijnen, enz.), maar de geleerden maken zich daarover niet ongerust, omdat niets bewijst dat de waarnemingen in strijd zijn met de oude beginselen; zij wachten eenvoudig op meer experimentele gegevens, die ongetwijfeld alle moeilijkheden zullen uit de weg ruimen.

[p. 218]

En nochtans, reeds in 1881 brengt het negatief resultaat van de proef van Michelson het vertrouwen van de natuurkundigen aan 't wankelen. Deze proef bewijst onweerlegbaar dat de voortplantingssnelheid van het licht op de aarde dezelfde is in alle richtingen, onafhankelijk van de beweging van onze planeet en dat het bijgevolg onmogelijk is deze beweging ten opzichte van de ether waar te nemen. Ziedaar een feit, dat niet strookt met de klassieke concepties en de naderende krisis al doet aanvoelen.

Op het einde van de vorige eeuw leidt de experimentele studie van de thermische straling der materie tot de empirische wetten van Stefan en Wien. Als dan in 1900 Rayleigh en Jeans de stralingswetten langs theoretische weg trachten terug te vinden, uitgaande van de klassieke basis, stuiten zij op een absolute onmogelijkheid. Voor de tweede maal is de klassieke natuurkunde niet in staat haar concepties in overeenkomst te brengen met de feiten, ditmaal op het gebied van de electronen, de atomen en de straling.

Vanaf dit ogenblik maakt zich een angstige onrust meester van de theoretici, die tevergeefs een houvast zoeken. Ook in het boek ‘La Valeur de la Science’⁽¹⁾, in 1905 verschenen, heeft Henri Poincaré, de beroemde wiskundige en theoretische natuurkundige, uiting gegeven aan beklemmende onzekerheid. Poincaré wijst er op hoe de klassieke beginselen, (beginsel van behoud van energie, beginsel van Carnot, van Newton, van Lavoisier, enz.), geen bevredigende verklaring van de nieuwe feiten kunnen geven. Hij zoekt naar een uitweg en hoopt dat andere proefnemingen klaarheid zullen brengen. Hij vraagt zich af:

‘En présence de cette débâcle générale des principes, quelle attitude va prendre la Physique mathématique? Et d'abord, avant de trop s'émouvoir, il convient de se demander si tout cela est bien vrai. Toutes ces dérogations aux principes, on ne les rencontre que dans les infiniment petits; il faut le microscope pour voir le mouvement brownien; les électrons sont bien légers; le radium est bien rare et on n'en a jamais que quelques milligrammes à la fois; et alors on peut se demander si, à côté de l'infiniment petit qu'on a vu, il n'y avait pas un autre infiniment petit qu'on ne voyait pas et qui faisait contrepoids au premier.

Il y a donc là une question préjudicielle, et à ce qu'il semble l'expérience seule peut la résoudre. Nous n'aurons donc qu'à passer la main aux expérimentateurs, et en attendant qu'ils aient tranché définitivement le débat, à ne pas nous préoccuper de ces inquiétants problèmes, et à continuer tranquillement notre oeuvre comme si les principes étaient encore incontestés. Certes, nous avons beaucoup à faire sans sortir du domaine où on peut les appliquer en toute sûreté; nous avons de quoi employer notre activité pendant cette période de doutes.’

Niettegenstaande alles blijft Poincaré hopen:

(1) H. Poincaré. La Valeur de la Science. Les éditions du cheval ailé, Genève.

[p. 219]

‘... quand nous saurons pourquoi les vibrations des corps incandescents diffèrent ainsi des vibrations élastiques ordinaires, pourquoi les électrons ne se comportent pas comme la matière qui nous est familière, nous comprendrons mieux la dynamique des électrons, et il nous sera peut-être plus facile de la concilier avec les principes.’

Doelend op de nieuwe relativistische mechanica, die rond die tijd ontstaan is en speciaal vraagstukken kan behandelen, waarbij zeer grote snelheden betrokken zijn, besluit Poincaré:

‘Nous n'aurons pas à regretter d'avoir cru aux principes, et même, comme les vitesses trop grandes pour les anciennes formules ne seraient jamais qu'exceptionnelles, le plus sûr dans la pratique serait encore de faire comme si on continuait à y croire. Ils sont si utiles qu'il faudrait leur conserver une place. Vouloir les exclure tout à fait, ce serait se priver d'une arme précieuse. Je me hâte de dire, pour terminer, que nous n'en sommes pas là et que rien ne prouve encore qu'ils ne sortiront pas de la lutte victorieux et intacts.’

Deze wens van Poincaré ging niet in vervulling. Inderdaad, vanaf 1900 ontwikkelt de krisis zich op versnelde wijze en in dertig jaren doet ze een nieuwe fysica ontstaan, waarvan de afwerking een zware intellectuele inspanning van de theoretici heeft geëist.

Laat ons een overzicht geven van de experimentele en theoretische feiten, die een totale herziening van de oude beginselen hebben noodzakelijk gemaakt.

Reeds in 1900 is het Max Planck gelukt langs theoretische weg de empirische stralingswetten af te leiden, die voor de klassieke concepties onverklaarbaar zijn. De Duitse fysicus slaagt daarin door te veronderstellen dat de energie, zoals de materie, discontinuïteit in zich sluit. De electromagnetische energie zou door de materie uitgestraald worden in ‘quanta’, in energiepaketten, waarvan de waarde evenredig is met de frequentie der straling. Deze hypothese veronderstelt, - om een beeld van Jeans te gebruiken -, dat de energie wordt uitgezonden, niet in continue stroom zoals water uit een leiding, maar wel in een opeenvolging van kleine paketten, zoals de kogels uit een mitrailleur.

Enkele jaren zijn er nodig geweest alvorens vele natuurkundigen de hypothese van Planck durfden aanvaarden, hypothese die totaal in strijd is met de klassieke opvattingen.

In 1905 publiceert Einstein zijn relativiteitstheorie, die een nieuwe conceptie van het ruimte-tijd begrip voorstaat waarmee hij het negatief resultaat van de proef van Michelson volledig kan verklaren. Deze theorie toont aan dat het onmogelijk is een volledig beeld van de fysische verschijnselen in het klassieke ruimte-tijd kader te plaatsen. In het gekromd heelal, zonder grenzen en toch begrensd in uitgestrektheid, komt de tijd voor als vierde dimensie. Aan de verschijnselen, die zich in dergelijk universum afspelen, kan geen enkel beeld geassocieerd worden, dat volgens klassieke

[p. 220]

voorschriften gevormd is. De klassieke meachanica maakt een vereenvoudigd limietgeval uit van deze ingewikkelde relativistische mechanica, waarvan de problemen slechts door middel van een zeer superieure wiskunde kunnen behandeld worden.

De theorie van Einstein, later volledig door de proefnemingen bevestigd, verkondigt nog een ander zeer belangrijk beginsel: de gelijkwaardigheid van massa en energie. De massa is een zeer gecondenseerde vorm van energie. De relativiteit heeft als het ware de massa gedematerialiseerd door ze haar substantieel karakter te ontnemen. Een massa kan verdwijnen en getransformeerd worden in een andere energievorm; zij kan gecreëerd worden, maar ten koste van een andere energie. Aan elke hoeveelheid energie kan dus een massa geassocieerd worden, die er gelijkwaardig mee is.

Maar dan zullen de quanta van Planck, die kleine energiepaketten van de electromagnetische straling, ook massakorreltjes vertegenwoordigen en verwerven zij door dat feit een materieel karakter. De natuurkundigen hebben aan deze korreltjes de naam van ‘fotonen’ gegeven en zij kennen aan de electromagnetische golven een korpusculair karakter toe, door ze te beschouwen als een opeenvolging van fotonen. Het Compton-effect, daterend van 1923, bevestigt deze opvatting: de fotonen, beschouwd als gewone partikels, gehoorzamen aan de wetten van de mechanica.

Anderzijds kan men onmogelijk het golfkarakter van de electromagnetische straling loochenen en men is dus verplicht twee schijnbaar onverzoenbare aspecten van de electromagnetische energie te aanvaarden: het korpusculair voorkomen en het golfkarakter.

Dezelfde dualiteit, maar dan in omgekeerde zin, wordt door de Broglie in 1924 vooropgezet. Aan een massakorreltje in beweging associeert hij een golf, die aan het korreltje gebonden is door dezelfde betrekking als deze, die het verband tussen fotonen en electromagnetische golven kenmerkt. Drie jaar later hebben Davisson en Germer interferenties met electronenstralen gerealiseerd, verschijnsel waarvan men tot dan toe dacht, dat het uitsluitend aan golven was voorbehouden; zij bewezen aldus de juistheid van de Broglie's standpunt.

In enkele jaren tijd werd de dualiteit golf-materie, uitgaande van dezelfde entiteit, door de natuurkunde in reliëf gesteld en wordt thans door de geleerden algemeen aanvaard.

De hoger vermelde proeven en theorieën zijn uitzonderlijk belangrijk. Zij leren ons dat de continue realiteit, zoals wij die oppervlakkig waarnemen, onderspannen wordt door een veel diepere realiteit, waarin de discontinuïteit een essentiële rol speelt. De relativit kan zich onder twee aspecten voordoen, beide onweerlegbaar waargenomen in de wereld van het zeer kleine. De twee aspecten, klaarblijkelijk onverzoenbaar, zijn veruiterlijkingen van een zelfde entiteit; zij komen nooit in conflict, want naarmate het ene op de voorgrond treedt zal het andere verdoezelen; ze zijn alternatief, niet additief. Zeggen wij dus nooit dat het electronen terzelfdertijd een partikel is en een

[p. 221]

golf; het is noch het een noch het andere maar een abstracte entiteit, waarvan de eigenschappen kunnen bestudeerd worden door middel van wiskundige regels, die de jonge golfmechanica aan de hand doet, en die nu eens tot het gebied van de golven behoren, dan weer tot het gebied van de materie. De fysici wagen het niet meer een structurele beschrijving te geven van een systeem; enkel nog de beschrijving van zijn gedrag. Daaruit volgt dat de nieuwe natuurwetten niet meer intuïtief kunnen behandeld worden. Elk substantieel beeld is fout of onvolledig en hoort niet thuis in het oppervlakkig kader van de macroscopische wereld met drie dimensies. Alleen een abstract wiskundig formalisme maakt het mogelijk de moderne natuurkunde te ontwikkelen.

Terwijl deze nieuwe concepties definitief hun plaats veroveren in de wetenschappelijke middens, bedreigt een andere even revolutionaire nieuwigheid de klassieke ideologie.

In 1909 bewijzen de proeven van Rutherford dat de radioactieve stoffen heliumkernen uitstralen; ze geven aanleiding tot het opstellen van een atoommodel, dat vier jaar later door Bohr zal verfijnd worden, rekening houdend met de quantummechanische beperkingen. Hebben deze proeven een positief resultaat afgeworpen, dan wijzen ze toch ook op de instabiliteit van zekere atoomkernen. Volgens de klassieke opvattingen is een systeem ofwel stabiel ofwel niet; in het eerste geval blijft het stabiel, zolang geen vreemde factor zijn evenwicht komt storen. Daartegenover bewijst de radioactiviteit ontegensprekelijk dat de kern van een radioactief atoom stabiel blijft gedurende een onbepaalde tijd, die seconden, dagen jaren of eeuwen kan belopen, tot zij dan plotseling, zonder de minste aanleiding, spontaan desintegreert. Noch het verleden, noch het heden laten deze eventualiteit voorzien, eventualiteit die schijnt onderworpen te zijn aan de grillen van een eigenzinnige natuur.

Wij bevinden ons dus voor een totaal indeterminisme. De volledige kennis van de toestand van een atomair systeem alsmede van alle factoren, die deze toestand kunnen beïnvloeden, volstaat niet om zijn onmiddellijke toekomst te voorspellen. Op atomair plan is de natuur niet deterministisch en schijnt ze het beginsel van de causaliteit niet te kennen. Toch blijft er in de fysica een ‘zwakke’ causaliteit bestaan, - we herhalen hier de woorden van de Broglie -, in deze zin, dat elk gevolg steeds een oorzaak heeft terwijl het verdwijnen van die oorzaak het verdwijnen van het gevolg meebrengt. Men slaagt er echter niet in de ‘sterke’ causaliteit terug te vinden, waarbij het gevolg noodzakelijk voortspruit uit zijn oorzaak, waarmee het door een streng determinisme verbonden is. De zwakke causaliteit laat toe te veronderstellen dat een zelfde oorzaak één of ander van meerdere mogelijke gevolgen kan voortbrengen, waarbij dan elk van deze gevolgen met een bepaalde waarschijnlijkheid kan optreden.

Gelukkig blijft het indeterministisch gedrag van de natuur beheerst door statistische wetten, die dan in de macroscopische wereld statistische resultaten

[p. 222]

opleveren; de resultaten zijn des te betrouwbaarder, naarmate het aantal fysische entiteiten groter is. Op macroscopische schaal blijft de natuur deterministisch.

Een ander aspect van het indeterminisme wordt in 1928 door het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg in het licht gesteld. Dit beginsel sluit elke oneindig gedetailleerde waarneming uit. De onzekerheid in het waarnemen van de positie van een deeltje is omgekeerd evenredig met de onzekerheid in het waarnemen van zijn bewegingshoeveelheid, (massa vermenigvuldigd met snelheid). Wil men met groter nauwkeurigheid de snelheid van een deeltje meten, dan kan dat slechts gebeuren met groter onzekerheid in de kennis van zijn positie en omgekeerd. Dit vindt zijn oorzaak in het feit dat het waargenomen object enerzijds, en het verbindingsmiddel tussen dit laatste en de waarnemer anderzijds, van dezelfde grootte-orde zijn. Daardoor zal de waarneming, langs het verbindingsmiddel om, de toestand van het object gevoelig wijzigen. Vermits nu het produkt der onzekerheden een zeer kleine constante is, zal het beginsel van Heisenberg slechts voelbaar worden in de wereld van het zeer kleine, in de wereld van het atoom. Op macroscopische schaal blijven de storingen, door een waarneming veroorzaakt, verwaarloosbaar klein.

Het spreekt van zelf dat het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg een belangrijke invloed heeft gehad op de ideologie van de natuurkunde. Volgens de klassieke opvattingen zal de kennis van de bewegingsvergelijking en van de begintoestand, (positie en snelheid), van een deeltje volstaan om de toekomst van dit laatste precies te voorspellen. Volgens het onzekerheidsbeginsel is het echter onmogelijk gelijktijdig de positie en de snelheid nauwkeurig te kennen zodat juiste voorspelling uitgesloten is. We moeten dus weer de gedachte aan een strenge causale afhankelijkheid opgeven. Zeggen wij veeleer dat het weinig zin heeft ons af te vragen of ja dan neen de beweging van een partikel gehoorzaamt aan een causale wet, vermits het onmogelijk is de objectieve realiteit, onafhankelijk van de waarnemingsmethode, te kennen. De waarneming op zich zelf beïnvloedt het toekomstig gedrag van een atomair systeem en wij kunnen dus nooit controleren of dit gedrag door een causale wet gedicteerd wordt.

Natuurlijk kunnen wij weer herhalen wat we hoger al hebben gezegd: er bestaat steeds een causale afhankelijkheid in voldoende mate om statistische voorspellingen te doen in verband met de waarschijnlijkheid van een mogelijke toekomst, uitgaande van de beperkte kennis van een mogelijk heden. Deze waarschijnlijkheid wordt practisch zekerheid als het gaat om een verzameling van een groot aantal atomaire elementen, waarvoor de waarnemingsstoring verwaarloosbaar klein is vergeleken met het waarnemingsresultaat.

Om te resumeren kunnen wij zeggen dat de klassieke natuurkunde de fysica is van de wereld op menselijke schaal, terwijl de twintigste eeuw de fysica van de atomaire wereld op punt heeft gesteld. Deze laatste steunt

[p. 223]

op totaal nieuwe concepties, waarbij discontinuïteit, dualiteit en indeterminisme een essentiële rol spelen. De coördinatie van onze kennis inzake de atoomwereld kan slechts gebeuren ten koste van de klaarheid onzer voorstellingen, vermits deze laatsten, ontleend aan de macroscopische wereld, hun betekenis verliezen op een zo kleine schaal. De moderne natuurkunde is verplicht beroep te doen op een ingewikkeld mathematisch formalisme, waarvan de abstractie hinderend aandoet en waarin men de gewone fysische grootheden niet meer herkent.

Natuurlijk heeft de ontwikkeling van de moderne wetenschap te denken gegeven aan de filosofen. In werkelijkheid oefent de hedendaagse fysica kritiek uit op een groot aantal noties, die men bijna als evident was gaan beschouwen en die zonder discussie werden aanvaard. Door deze noties te verwerpen, - aldus de Broglie -, heeft men de beste steunpunten ontnomen aan de metafysica, die zich bijna als een dogma in de geest van vele geleerden ging vastankeren. Langs de andere kant brengt de nieuwe fysica originele suggesties naar voren, zo rijk aan inhoud, dat de algemene wijsbegeerte er ongetwijfeld baat zal bij vinden.

Wij hebben getracht zeer in 't kort te schetsen hoe de fundamentele begrippen van de fysica zich ontwikkeld hebben gedurende de eerste helft van de twintigste eeuw. Wij kunnen ons ook afvragen welke verrassingen de tweede helft zal brengen.

Het is zeker uitermate moeilijk over de toekomst te spreken, maar toch doen experimentele en theoretische onderzoekingen reeds belangrijke nieuwigheden voorvoelen. Thans dringen de geleerden door tot in de kern zelf van het atoom en verzamelen zij experimentele gegevens waaraan zij, tevergeefs echter, een theoretische uitleg trachten te verbinden. Terwijl de golfmechanica opwindende successen heeft geboekt in alles wat buiten de atoomkern gebeurt, is haar bijdrage tot de studie van het inwendige van de kern werkelijk ontgoochelend. De natuurkundigen zijn dan ook meer en meer de mening toegedaan dat in de golfmechanica, zoals ze thans ontwikkeld is, de nodige begrippen ontbreken, die noodzakelijk zijn om de fysica van de atoomkern te begrijpen. Dat mag ons niet verwonderen, want de elementen van de atoomkern bewegen in een ruimte, die nog veel beperkter is dan deze waarin het atoom zich beweegt. Het is dus niet uitgesloten dat de inspanningen ten slotte zullen leiden tot de ontwikkeling van een nog meer algemene natuurkunde met een nog meer algemene wetmatigheid, waarvan de huidige wetten en formules slechts bijzondere limietgevallen zullen zijn.

En wat zal de verre toekomst ons brengen? Waarop zal de wetenschap uitlopen als zij haar ontwikkelingsgang onafgebroken voortzet? Zal meer bepaald de natuurkunde geen onoverkomelijke moeilijkheden op haar weg vinden?

In het boek ‘l'Avenir de la Science’, in 1940 verschenen⁽¹⁾, voorziet

(1) Paris, Librairie Plon.

[p. 224]

Louis de Broglie inderdaad hinderpalen, die een einde kunnen maken aan de ontwikkeling van de natuurkunde.

Een eerste hinderpaal zou de zelfvernietiging van het mensdom kunnen zijn. Op een ogenblik dat de atoombom nog niet gerealiseerd was maar dat men toch haar verwezenlijking voor mogelijk hield, schreef de Broglie:

‘Déjà, si l'on voulait réaliser la propagation des désintégrations dans une masse d'Uranium dont il a été question plus haut, les résultats pourraient en être d'une effrayante puissance de destruction. Il est évidemment désirable de réaliser des expériences permettant d'accomplir des progrès en physique nucléaire, mais il est également désirable qu'après la réalisation de ces expériences, il reste encore des êtres humains pour en recueillir les fruits!’

Een andere hinderpaal, - steeds volgens de Broglie -, zou kunnen gezocht worden in de beperkte draagwijdte van onze geestelijke vermogens. Hij schreef onder andere:

‘Sans doute pourrons-nous avancer encore en nous appuyant sur la force du raisonnement et sur la puissance synthétisante des formes mathématiques, mais il n'est pas dit que, dans une exploration où peu à peu le soutien de l'intuition cesserait entièrement de féconder nos théories, nous ne finissions pas par être complètement arrêtés, tout désorientés par ce monde nouveau où aucun de nos modes de représentation ne serait plus applicable. Sans doute est-ce un triomphe pour l'esprit humain d'avoir su encore démêler des lois et établir des théories pour les phénomènes d'une échelle aussi fine, mais peut-on affirmer que ce succès doive se maintenir indéfiniment? Il est vrai qu'en cas d'échec, on pourrait continuer à observer les faits sans en chercher d'interprétation, à faire de l'expérience pure sans se soucier de théorie, mais il est bien probable qu'une telle recherche empirique, privée de tout guide, deviendrait rapidement stérile, car, pour énoncer clairement les résultats d'une expérience, quelque image théorique est toujours nécessaire. La physique nucléaire, en se heurtant aux limites de résistance de la matière, pourrait donc se heurter aussi aux limites de compréhension de notre esprit.’

Wij mogen wel vooropstellen dat de grens van ons bevattingsvermogen nog niet bereikt is en dat alles, wat wij kennen zeer weinig is, vergeleken met wat wij nog niet weten.