Woensdag 20/01/2021

De geheimen van de fysica

Overtuigd van het historische belang van Einsteins befaamde formule E=mc2, schreef de Amerikaanse fysicus David Bodanis er een biografie van. De Nederlander Machiel Keestra bundelde dan weer een reeks essays over grote ontdekkers uit de geschiedenis van de fysica.

Een van de cruciale, maar voor de rest vrij illustere hoofdrolspelers van de Tweede Wereldoorlog was ongetwijfeld Lyman J. Briggs, de bejaarde democraat die van 1939 tot 1941 het Amerikaanse atoombomproject leidde. Of liever, de man die dat in feite helemaal niet leidde, want Briggs wou Amerika zo ver mogelijk van de oorlog in Europa afhouden, en in atoombommen geloofde hij al helemaal niet. De brief die Einstein in 1939 aan Roosevelt geschreven had, waarin hij meldde dat de Duitsers druk aan het werk waren aan een bom die met gemak een hele haven van de kaart zou kunnen vegen, en die de president heel vriendelijk, maar sussend beantwoordde - stel je voor, een hele haven, hoe haalt die Albert het in zijn hoofd - gooide Briggs in de prullenmand. En een Engels rapport over de mogelijkheid om een eigen bom te maken, stopte hij vervolgens in zijn kluis. Wat niet weet, niet deert, zo redeneerde hij. Vrolijk fluitend liep hij zo een paar jaar door de gangen van het ministerie van Defensie en iedere keer er iemand "We'll bomb them to hell" opperde, lachte hij: "Sure, sure". Tot Pearl Harbor natuurlijk. Bij de grote schoonmaak die daarop volgde, werd Briggs aan de deur gezet en ging het Manhattan Project - genoemd naar de wijk waarin de onderzoekers zaten - van start. Hiroshima was in voorbereiding.

Dat net Einstein een brief schreef naar Roosevelt, is niet toevallig. Het principe van de atoombom, de kernsplijting die Lise Meitner en Otto Hahn eind jaren dertig in Duitsland uitgevonden hadden, berustte immers op een inzicht dat rechtstreeks voortvloeide uit de relativiteitstheorie: de formule E=mc2. Die zegt immers dat alle materie omgezet kan worden in energie en dat is precies wat er bij een kernsplijting gebeurt. Einstein zat dus zowel theoretisch als moreel tot over zijn oren in de atoombomhistorie, en hij vond dat hij zijn verantwoordelijkheid moest opnemen. De Amerikaanse fysicus David Bodanis besefte maar al te zeer hoe belangrijk Einsteins befaamde formule wel geweest is voor de wereldgeschiedenis en hij kwam op het frisse idee er een biografie van te schrijven. Hij ging na uit welke elementen de formule bestaat en beschrijft er de geschiedenis van, van haar geboorte tot haar dood. En dat geeft een vrij nieuwe kijk op de zaak. Zo voert Bodanis ons mee naar het Engeland van het midden van de achttiende eeuw, toen Michael Faraday het verband tussen magnetisme en elektriciteit ontdekte en zo de eerste stappen zette naar de wet van het behoud van energie. Energie verdwijnt niet, ze wordt gewoon in een andere vorm omgezet. Het isgelijkteken blijken we te danken te hebben aan Robert Recorde, toen die het in 1553 introduceerde en Antoine Lavoisier kwam twee eeuwen later op de proppen met de wet van het behoud van massa. Tot in 1905 zag men energie en massa als twee heel verschillende zaken. En toen kwam Einstein met zijn formule en bleek opeens dat de twee behoudswetten in feite niet klopten. Soms verdwijnen massa of energie wel degelijk: wanneer ze respectievelijk omgezet worden in energie en massa. En aangezien er vermenigvuldigd moet worden met het kwadraat van de lichtsnelheid is heel weinig massa gelijk aan heel veel energie. Of zoals Bodanis het met een duidelijk voorbeeld stelt: een blad in een boek is maar een paar grammen cellulose en inkt, maar als je over de juiste manier zou beschikken om er de energie uit te halen, zou je een knaller krijgen zwaarder dan bij de ontploffing van een grote krachtcentrale. Een groot deel van het boek gaat over de zoektocht naar de bom, meteen de dodelijkste menselijke toepassing van de formule. En het was dan ook een spannende race. Duitsland was inderdaad al in 1939 begonnen met de ontwikkeling van een bom. In Berlijn werd er een reactor gebouwd en aan het hoofd van het project stond Werner Heisenberg, de grondlegger van de kwantumfysica en beroemd door zijn onzekerheidsprincipe. Neem daar nog een Werner von Braun bij, de man die de V1's en de V2's ontwierp en die later de Amerikanen hun Apolloproject zou schenken, en je had meteen een schokkend plaatje. In de hoofden van sommige Engelsen en Amerikanen vlogen er al honderden met kernkoppen uitgeruste raketten over Europa. Op aandringen van de Engelsen schoten de Amerikanen een paar jaar later ook in actie. Alleen konden zij vrij ongestoord te werk gaan, terwijl de Duitsers met heel wat sabotage af te rekenen kregen. Het gevoelige punt was het zware water - waarbij waterstof vervangen is door deuterium - nodig om de neutronen te vertragen die bij een kernsplijting vrijkomen en zo de reactie aan de gang te houden. Heisenbergs zwaarwaterfabriek stond in Noorwegen en meestal zat hij dus zonder.

Bodanis heeft ervoor gekozen zijn boek op twee niveaus te schrijven. Voor degene die het gewoon leest is het een spannend verhaal over het wel en wee van een aantal beroemde wetenschappers dat leest als een detective. Voor de meer geïnteresseerden zijn er de 70 pagina's noten achter in het boek die dieper ingaan op de zaak, maar het lezen tot een hel maken. Constant zitten bladeren is immers niet leuk. Het resultaat is dat je halverwege het boek de noten laat voor wat ze zijn en je beperkt tot het spionageverhaal, en dan valt het boek in feite een beetje tegen. De vier pagina's waarin Bodanis de technische gebeurtenissen beschrijft binnen in de bom wanneer die ontploft, mogen voor mij tot de hoogtepunten van de wetenschappelijke literatuur gerekend worden. Je zit op het puntje van je stoel, nog maar zelden zulke spanning gevoeld bij het lezen. En ook al is zijn uiteenzetting over de hedendaagse toepassingen van de formule in rookdetectors, nooduitgangbordjes en PET-scanners interessant, ergens had het allemaal grondiger gekund, diepgravender. Bodanis heeft blijkbaar de geit en de kool willen sparen, en het resultaat is halfbakken. Een boek dat wel degelijk voor een wetenschappelijke uiteenzetting gekozen heeft en de faits divers op de achtergrond houdt, is het door Machiel Keestra samengestelde Doorbraken in de natuurkunde, een bundel essays over grote ontdekkers uit de geschiedenis van de fysica. Het is de neerslag van een Studium Generale aan de Universiteit van Amsterdam, iets wat wij in Vlaanderen niet kennen, maar dat in Nederland doodnormaal is: het organiseren van lezingen die openstaan voor studenten van alle faculteiten en die wetenschap en kunst vanuit een interdisciplinaire hoek benaderen.

Galileo Galilei mag de spits afbijten, als weerlegger van Aristoteles, invoerder van de experimentele methode en voorstander van een op de wiskunde gebaseerde wetenschap. Vooral de berekening van kogelbanen krijgt in het essay van Frans van Lunteren veel aandacht. Leuk is dat er niet alleen voor grote namen gekozen is, maar dat ook de verschillende takken van de fysica aan bod komen. Christiaan Huygens' ontdekkingen op het vlak van de optica, en vooral zijn jarenlange strijd met de rare lichtbreking door IJslands kristal staan in het tweede essay centraal. Wat de warmteleer betreft heeft Jos Uffink gekozen voor een verhaal waarin meerdere helden centraal staan: niet één grote ontdekker, maar meer een beschrijving van een langzaam ontdekkingsproces.

Opvallend is dat voor veel fysici de religie een drijvende en sturende kracht was. Natuurlijk is er Isaac Newton, die meer een mysticus dan een wetenschapper was, maar uiteindelijk toch de gravitatiewetten bedacht. Voor zijn zwaartekracht greep hij terug op een idee dat door zijn tijdgenoten als wetenschappelijk onaanvaardbaar werd geacht: de actio in distans, of de werking op afstand die van oudsher aan God werd toegeschreven. Van Descartes' universele ether met daarin bewegende deeltjes die de gravitatie zouden doorgeven, moest hij immers niets weten. Maar ook Michael Faraday werd door goddelijke ideeën voortgedreven. Harry Snelders wijst er in zijn essay over de ontdekking van het elektromagnetisme op dat Faradays religieuze idee dat de natuur een eenheid vormt er hem toe bracht alle natuurkrachten als varianten van eenzelfde kracht te zien. Magnetisme en elektrische stroom moesten dus teruggebracht kunnen worden tot eenzelfde principe. Het was alleen nog uitvissen hoe. Alleen Newtons actio in distans zag hij niet zitten. Magneten werken niet rechtlijnig, zo ontdekte hij, maar wel met gebogen krachtlijnen. De magnetische velden waren geboren.

Dat de lezingen verzameld in Doorbraken in de natuurkunde oorspronkelijk voor een universitair publiek bedoeld waren, merk je vooral in de laatste twee essays, over Albert Einstein en Niels Bohr. Men laat Einstein in populariserende werken nogal graag beweren dat God niet dobbelt. Maarten Franssen schrikt er niet voor terug hem ook moeilijker zinnen in de mond te leggen, zoals "Monochromatische straling van lage intensiteit (dus binnen het geldigheidsbereik van de wet van Wien) gedraagt zich met betrekking tot thermische verschijnselen alsof ze bestaat uit onafhankelijke energiequanta van grootte hv." Het is een hele mondvol, maar met enige verduidelijking in de becommentariërende tekst begrijp je wat er bedoeld wordt, waardoor je het gevoel krijgt werkelijk iets bijgeleerd te hebben, een gevoel dat bij Bodanis al te veel ontbreekt. Doorbraken in de natuurkunde krijgt dus een mooi plaatsje in mijn boekenkast, terwijl E=mc2 het met een stekkie ergens achteraan zal moeten stellen.

Marnix Verplancke

David Bodanis

E=mc2 Ambo, Amsterdam, 348 p., 1.089 frank.

Machiel Keestra (red.)

Doorbraken in de natuurkunde Nieuwezijds, Amsterdam, 224 p., 787 frank.

Einstein zat tot over zijn oren in de atoombomhistorie en vond dat hij zijn verantwoordelijkheid moest opnemen

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234