Continu biljarten

Van der Waals and Molecular Science. Door A. Ya. Kipnis, B.E. Yavelov en J.S. Rowlinson. Geïll., 313 blz., Clarendon Press (Oxford) 1996. Prijs: ƒ 170,40. ISBN 0 19 855210 6.

Bestaan moleculen? Tegenwoordig twijfelen maar weinigen aan de realiteit van deze kleinste bouwstenen van de stof. Theoretici zouden niet weten wat ze zonder moesten. En precisie-instrumenten als de atomic force-microscoop brengen de atoom- en molecuullagen van kristallen rechtstreeks in beeld. Volgens de kinetische gastheorie, door Clausius, Maxwell en Boltzmann rond 1860 ontwikkeld, bestaat een zuiver gas uit minuscule identieke deeltjes die elkaar alleen van dichtbij aantrekken. Ze bewegen kriskras door elkaar - hoe groter de temperatuur, hoe hoger de gemiddelde snelheid - en de roffel op de wand die dat geeft, heet druk.

In de tijd van de natuurkundige Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) waren moleculen omstreden. Het verzet bereikte rond de eeuwwisseling een hoogtepunt toen fysici als Ostwald en Duhem voorstelden alle natuurverschijnselen tot energietransformaties te herleiden. Ook de Oostenrijkse natuurkundige en filosoof Ernst Mach wilde er niet aan: hoogstens waren moleculen handig om mee te rekenen, maar dat zei niets over hun realiteit. Van der Waals daarentegen geloofde heilig in de minuscule biljartballetjes en zijn wetenschappelijke werk heeft er toe bijgedragen de twijfels aan hun bestaan weg te nemen.

Van de vier Nobelprijswinnaars die de vaderlandse natuurkunde begin deze eeuw zo'n faam bezorgden, is Van der Waals de eerste die met een wetenschappelijke biografie is bedacht. Niet Nederlandse wetenschapshistorici hebben zich van deze taak gekweten, maar twee Russen en een Brit. Van der Waals and Molecular Science is een gewijzigde en uitgebreide versie van de Russische editie uit 1985. Definitief is de biografie allerminst, daarvoor zijn de lacunes (Van der Waals' schoolvorming, de verhouding tot Zeeman) te talrijk en is te veel Nederlandstalig bronnenmateriaal, waaronder correspondentie, genegeerd. Maar wie Van der Waals wil kennen, kan om dit boek niet heen.

Toestandvergelijking

Iedereen met meer dan 2-Mavo herinnert zich de Wet van Boyle: druk en volume van een afgesloten hoeveelheid (voldoende ijl) gas zijn omgekeerd evenredig, mits de temperatuur constant blijft. Het betreft hier een specifiek geval van de algemene gaswet. Al lang vóór Van der Waals was bekend dat bij ideale gassen (met puntvormige moleculen die elkaar niet aantrekken) het verband tussen de druk P, het volume V en de absolute temperatuur T (die loopt vanaf het absolute nulpunt: -273 ß8C) voor een standaardhoeveelheid (een mol) als volgt is te schrijven: P.V = R.T, met R de algemene gasconstante. Zolang de gasconcentratie voldoende laag is, voldoet deze toestandsvergelijking prima. Maar verklaren dat gassen bij hogere druk condenseren kan hij niet, en al evenmin dat elk gas een kritische temperatuur heeft waarboven condensatie, ongeacht de hoogte van de druk, juist weer niet lukt.

In 1873 kwam Van der Waals in zijn proefschrift Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand met een aangepaste toestandsvergelijking die de bezwaren onderving en door experimentele gegevens was onderbouwd. In zijn wet - startpunt van een periode van grote bloei in de Nederlandse natuurkunde - was wèl rekening gehouden met de aantrekkingskracht tussen de moleculen (die later naar Van der Waals werden vernoemd), en met het eigen volume dat ze innamen. Toch oogde de nieuwe formule verrassend eenvoudig, zeker gezien de potenties - de PTT zette haar in 1993 zelfs op een postzegel.

Toen Van der Waals zijn toestandsvergelijking publiceerde, was hij 36 jaar oud en een gewaardeerd docent natuurkunde aan de Haagse HBS. Geboren in Leiden, als oudste zoon in een timmermansgezin, doorliep Johannes de driejarige MULO. Hij behaalde lager onderwijsakten in Duits, Frans, wiskunde, kennis der natuur en, in 1861, die voor hoofdonderwijzer. Vervolgens liep hij in Leiden college, à raison van een tiende onderwijzersjaarsalaris per serie. Het bezit van middelbare akten stelde hem in staat als leraar wis- en natuurkunde te solliciteren op de gloednieuwe Hogere Burgerschool. Pas toen Thorbecke Van der Waals in 1871 persoonlijk ontheffing verleende voor Grieks en Latijn, kwam de weg vrij voor academische examens, culminerend in de doctorstitel.

Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand werd aanvankelijk nauwelijks opgemerkt. Van der Waals kreeg geen cum laude en de pers zweeg het werk dood. Opvallend was dat het proefschrift niet, zoals te doen gebruikelijk, aan de ouders was opgedragen. Wellicht wilde de zoon zo uitdrukken dat het hem van die zijde aan steun had ontbroken. De toestand van miskenning veranderde toen Maxwell in 1874 in Nature een bespreking aan het proefschrift wijdde, waarin hij Van der Waals afleidingen bekritiseerde maar tegelijk zijn ideeën prees. Een jaar later kwam de Schot in een voordracht op de zaak terug en sprak bij die gelegenheid de beroemde woorden dat Van der Waals' proefschrift “zeker meer dan een onderzoeker ertoe heeft gebracht Nederlands te leren”.

In het verlengde van zijn toestandsvergelijking leidde Van der Waals in 1880 de wet van de overeenstemmende toestanden af. Die zegt dat gassen waarvan de druk, het volume en de temperatuur uitgedrukt in hun kritische waarden gelijk zijn, zich in dezelfde toestand bevinden. Deze wet, die het mogelijk maakt de eigenschappen van het ene gas op basis van die van het andere te voorspellen, was voor Heike Kamerlingh Onnes de leidraad in zijn succesvolle pogingen waterstof- en heliumgas vloeibaar te maken en zo in Leiden een centrum voor lage-temperaturenonderzoek van de grond te tillen.

Intussen was Van der Waals in 1877 in Amsterdam benoemd als hoogleraar, toen daar het Athenaeum Illustre tot gemeentelijke universiteit was verheven - en men sneller handelde dan Leiden, waar de vacante post theoretische natuurkunde toen naar Lorentz ging. Van der Waals bouwde de afdeling natuurkunde van de grond af aan op, eerst aan het Singel (waar nu de universiteitsbibliotheek is gevestigd) en later in een nieuw laboratorium aan de Plantage Muidergracht. Hij bezat grote didactisch gaven, maar kon, veeleisend docent die hij was, nonchalante studenten - die hem vreesden - flink de mantel uitvegen.

Ontploffingsgevaar

In 1875 was Van der Waals gekozen tot lid van de Koninlijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen. Als algemeen secretaris (een benoeming in 1896) vormde hij de amateuristische Verslagen om tot professionele Proceedings. Daarnaast zat hij Akademiecommissies voor die de regering adviseerden over de gebrekkige geluidsisolatie in gevangeniscellen - die experimenteel werd vastgesteld - en over het ontploffingsgevaar van toestellen voor lage temperaturen in een Leids Natuurkundig Laboratorium dat zich op steenworpafstand bevond van de plek waar eens een kruitschip lag aangemeerd.

Van der Waals was klein van stuk en had heldere, blauwe ogen. Hij was zeer punctueel, alles verliep volgens strakke schema's. Als theoreticus - alleen als HBS-leraar wilde hij in zijn vaklokaal weleens experimenteren - school zijn kracht in zijn vermogen intuïtief de juiste vereenvoudigingen aan te brengen. Ter ontspanning mocht hij graag biljarten - zoals wel meer pioniers binnen de kinetische gastheorie. Tact was niet zijn sterkste kant: hij kon koppig uit de hoek komen en zeker op latere leeftijd was hij in andermans theorieën maar matig geïnteresseerd. In 1881, het jaar dat zijn proefschrift in Duitse vertaling verscheen en zijn ster internationaal begon te rijzen, betekende het verlies van zijn vrouw Anna Magdalena een zware slag: ze overleed op 34-jarige leeftijd aan tbc. Lange tijd bleven de voorgordijnen van PC Hooftstraat 57 gesloten, pas bij de bruiloft van zijn zoon in 1902 mocht er weer licht binnen.

Een in zichzelf gekeerde Van der Waals bleef wetenschappelijk actief maar publiceerde niets. Pas toen zijn vriend Kamerlingh Onnes - die hem regelmatig in Amsterdam opzocht voor een privatissimum waarin de laatste Leidse metingen aan de toestandsvergelijking werden doorgesproken - weigerde te verwijzen naar een niet gepubliceerde theorie, kwamen er in 1889 artikelen over binaire mengsels uit zijn pen. Later volgde nog een studie naar capillariteit, het opstijgen van vloeistoffen in nauwe buisjes. De beloning voor alle baanbrekende arbeid kwam in 1910, met het bericht dat hij de Nobelprijs had gewonnen. Neveneffect was dat er op 'bevel' van het Zweedse comité voor een portretfoto moest worden geposeerd: jubileum na jubileum had Van der Waals dat categorisch geweigerd.

Na zijn emeritaat - hij werd in Amsterdam opgevolgd door zijn zoon Johannes Diderik jr. - bleef Van der Waals gewoon doorpubliceren, over mengsels en over zijn toestandsvergelijking. Zijn laatste levensjaren ging zijn gezondheid sterk achteruit. In 1922 overleed zijn dochter Jacqueline, de dichteres. Vader volgde een jaar later, 85 jaar oud.

    • Dirk van Delft