VADER VAN HET ATOOM

De belangrijkste theorieën in de natuurkunde begrijp ik niet. Op de universiteit heb ik Maxwell-theorie gehad en geleerd hoe je het magneetveld kunt uitrekenen dat hoort bij een elektrische stroom, maar waarom noord- en zuidpool elkaar aantrekken, of wat een magnetische monopool is, dat begrijp ik nog steeds niet. Ik heb relativiteits-theorie gedaan en ben indertijd geslaagd voor het tentamen, maar waarom twee atoomklokken ongelijk gaan lopen als men er één met een raket mee stuurt, dat begrijp ik nog steeds niet. Ik kan zelfs niet onthouden welk van de twee klokken achter gaat lopen. Het is die klok in de raket, geloof ik, maar om het zeker te weten zou ik het moeten uitrekenen.

Dat is toch een beetje vreemd voor een fysicus, daarom koop ik boeken als: "Subtle is the Lord', de biografie van Einstein geschreven door onze landgenoot Abraham Pais. Het begin van dit boek is uitermate fascinerend, ondanks enkele pedanterieën over privé- wandelingetjes van Pais met Einstein.

De fysica van het eind van de vorige en het begin van deze eeuw wordt meesterlijk beschreven. Voor mij was Einstein's werk en E=mc² uit de lucht komen vallen. Nu blijkt dat Einstein worstelde, net als zijn tijdgenoten, met de ethertheorie. Al worstelend komt de relativiteitstheorie naar boven. Ether verdwijnt naar de achtergrond zonder dat hij netjes wordt afgedaan.

Einstein's eerdere werk vooral in de statistische fysica was me onbekend en zijn onderzoek aan het getal van Avogadro is buitengewoon interessant. Wat daarna komt, het eigenlijke onderwerp van het boek, is voor mij onbegrijpelijk gebleven. Teveel formules, teveel impliciete beweringen en conclusies. Pais is een typische theoreet die mathematisch kan denken en associëren, voor wie de schoonheid der wiskunde in een oogopslag duidelijk is. Ik lees door een berg formules heen, soms pagina's overslaand waar "niets' in staat. Toch lees ik door, want de passages over de persoon van Einstein en zijn collegae boeien. En ik hoop toch iets meer te leren over het wezen van de relativiteitstheorie.

Dit lukt niet. Het is een troost dat ik niet alleen ben, hetgeen ook uit het boek van Pais blijkt. De London Times van 7 november 1919 schrijft over een bijeenkomst van de Royal Society naar aanleiding van de experimentele bevestiging van Einstein's voorspelling: "No speaker succeeded in giving a clear non-mathematical statement of the theoretical question'.

Uitgebreid wordt aandacht besteed aan de grote aantrekkingskracht van het werk van Einstein, niet alleen op zijn collegae maar ook op het grote publiek, dat er niets van begrijpt maar zich toch verdringt om de laatste "paper' te lezen.

Ik voel een zekere boosheid opkomen en een verwijt aan Pais dat de relativiteitstheorie niet echt wordt uitgelegd. Dan ineens staat daar een uitspraak van Hertz: "Maxwell's theorie is Maxwell's systeem van vergelijkingen'. Pais noemt deze uitspraak geestig, maar een zinloos commentaar op het beste dat de fysica van die tijd heeft voortgebracht. Voor mij is deze uitspraak juist van grote betekenis omdat ik steeds meer het gevoel krijg dat de "grote' fysica niet méér is dan een stel mathematische vergelijkingen waarmee experimentele resultaten voorspeld kunnen worden, maar waarvan ons de diepere betekenis ontgaat.

Dit geldt niet alleen voor de vergelijkingen van Maxwell, ook voor de relativiteitstheorie van Albert Einstein en evenzeer voor de quantummechanica van Niels Bohr. Om te zien of Abraham Pais het inmiddels hiermee eens is, ben ik gretig begonnen aan zijn nieuwste biografie: "Niels Bohr's Times in physics, philosophy and polity'.

Niels Bohr's filosofie wordt al in het eerste hoofdstuk door Pais samengevat. "Quantummechanica maakt de vraag zinloos: bestaat licht of materie uit deeltjes of uit golven? In plaats daarvan moet de vraag luiden: gedraagt licht of materie zich als deeltjes of als golven? Deze vraag kan alleen beantwoord worden, indien men de experimentele condities specificeert waaronder de waarnemingen worden gedaan'.

Of met Bohr's eigen woorden: "Onze taak is niet om in het wezen der dingen door te dringen, waarvan wij de betekenis toch niet kennen, maar om concepten te ontwikkelen waarmee wij produktief kunnen spreken over verschijnselen in de natuur'.

Daarna volgt een tekst die al even fascinerend is als de biografie over Einstein, misschien wel fascinerender want als geen ander combineerde Niels Bohr drie eigenschappen. Hij was een schepper van wetenschap, hij maakte school, en hij was pleitbezorger voor de wetenschap bij het grote publiek en in de politiek.

Het beeld dat wij allen hebben van het atoom, een kern waar elektronen in vaste banen omheen cirkelen, danken wij aan Niels Bohr die hiermee de Nobelprijs verdiende. Toch is dit beeld vreemd want als men een elektron in een vaste baan in een deeltjesversneller laat rondcirkelen dan straalt het licht uit en zal het steeds langzamer gaan draaien omdat het energie kwijt raakt en dus moeten wij het elektron blijven versnellen om het in een vaste baan te houden. Atomen bezitten geen kleine deeltjesversnellers, toch bevinden de elektronen zich daar in stabiele banen. Dit is alleen te verklaren door aan te nemen dat in het atoom de elektronen zich als golven gedragen, maar dat is toch vreemd? Inderdaad, dat is het vreemde aan de quantummechanica.

Deze vreemde ontdekking van Bohr had een geweldige aantrekkingskracht op zijn tijdgenoten. Het instituut in Kopenhagen dat naar hem vernoemd werd en het kasteel dat hij van de Carlsberg Stichting kreeg aangeboden als woning werden het centrum van de moderne natuurkunde. Tussen 1916 en 1961 verbleven hier maar liefst 444 geleerden uit 35 landen.

Gezamenlijk publiceerden zij 1200 wetenschappelijke artikelen, waaronder 200 van of met Bohr. Hij bepaalde de sfeer in zijn omgeving. Als geen ander ging hij tot de bodem van alles. Hij bezat de energie om tot het eind toe vol te houden. Bovendien kon hij genieten van het leven als geheel. Dit maakte hem tot de vader van de atoomfysica en als een vader ging hij om met zijn leerlingen.

Maar als een vader kon hij ook zijn omgeving tot wanhoop brengen, zoals Slater (I had a horrible time in Copenhagen) of Heisenberg (in tears because I could not stand this pressure from Bohr) en Mott (I wish Bohr would let me get on with it without examining everything). Voor de meeste bezoekers was Kopenhagen echter een keerpunt in hun leven, een legendarische tijd, ook voor Abraham Pais die met kennelijk genoegen de vele anekdotes uit zijn herinnering opdiept of uit de archieven tevoorschijn haalt en eloquent beschrijft. Soms koket, met woorden als: polity, unbeknownst, bequeathed, largesse, ventripotence, cognoscenti, opine. Daar staat tegenover dat in dit boek, geheel in stijl met Niels Bohr zelf (we are suspended in language), vrijwel geen formules staan.

Niels Bohr werd steeds beroemder. Hij verkeerde met regerings- leiders en staatshoofden, eerst in eigen land maar na de oorlog over de gehele wereld. Zo kon hij in Denemarken fondsen verwerven voor de natuurkunde en verscheidene instituten oprichten. Tijdens de oorlog mobiliseerde hij zijn hele instituut en maakte in een week tijd 6000 neus-catheters die nodig zouden zijn in geval van een aanval op Denemarken met gifgas. Daarna moest Bohr (hij was half-joods) vluchten, via Zweden naar Engeland en de VS, waar hij adviseur werd van het kernwapenproject. Na de oorlog werd Niels Bohr een pleitbezorger voor volledige openheid op het gebied van kernenergie en kernbommen om de koude oorlog te voorkomen.

Maar de heren politici vonden hem naïef of begrepen hem niet. Churchill "would always be honored to receive a letter from Professor Bohr but hoped it would not be about politics'. Eisenhower liet hem op 24 oktober 1957 de eerste Atoms for Peace Award overhandigen, maar op 1 november ontplofte de eerste waterstofbom in de Stille Oceaan.

Als politicus en strateeg in de wetenschap had Niels Bohr dus het meest succes. Toch was ook deze overwinning "bittersweet" of zoals Hendrik Kramers, Bohr's naaste medewerker in die tijd, het eens gezegd heeft: "De quantumtheorie is als elke overwinning, je lacht de eerste maanden en daarna huil je nog jaren'.

Bohr bracht weliswaar een wonderlijke synthese tot stand tussen atoomspectroscopie en chemie, maar de wijze waarop en de consequenties ervan betekenden een ware revolutie in de exacte wetenschappen. Het principe van oorzaak en gevolg ging verloren. Deze prijs moest betaald worden voor de quantummechanica die ons helpt waar de klassieke fysica het af laat weten. De quantummechanica vertelt ons van radioactieve atomen: dat vandaag een atoom zal vervallen, morgen een ander en overmorgen weer een ander, maar welk atoom het zal zijn dat zal geen berekening kunnen voorspellen, want de quantumtheorie berekent alleen een kans. Abraham Pais beschrijft in detail de rol van alle spelers bij het ontstaan van dit nieuwe kansspel.

Planck, Pauli, Einstein, Sommerfeld, Schrödinger, Heisenberg, Born, De Broglie, zij allen droegen een steentje bij maar het was vooral Bohr die als architect-aannemer optrad en de fundamenten in de gaten hield. Vandaar dat wij thans spreken van de Kopenhagen-interpretatie van de quantummechanica. Dit is een pragmatische interpretatie: de enige reden dat de quantumtheorie standhoudt, is dat zij de juiste voorspellingen doet van onze experimenten. Dit betekent niet dat er een quantumwereld is. Er is alleen een abstracte mathematische beschrijving. De quantumtheorie, dat is de golfvergelijking.

Waarom? Omdat die werkt. Veel fysici, inclusief Pais, zijn daar ongelukkig over. Bohr had er vrede mee, want zijn voorganger op het kasteel van de Carlsberg Stichting was de pragmatische filosoof Höffding. Bovendien zal Bohr Steno gelezen hebben, de Deense geleerde uit de zeventiende eeuw, die schreef (vert. Pais):

Beautiful are the things we see

More beautiful those we understand

Much the most beautiful those

we do not comprehend