1912: tussen oud en nieuw

natuurkunde Als treinpassagiers die na passage van donkere tunnel een nieuw landschap zien: zo leefden de natuurkundigen na 1912 op.

17 Oct 2010 --- Riding the Bund Sightseeing Tunnel, a train ride and light show that runs from the Bund to Pudong beneath the Huangpu River. --- Image by © Jon Hicks/Corbis © Jon Hicks/Corbis

Op 17 juli 1912 stierf in een Parijs’ ziekenhuis, aan de complicaties van een prostaatoperatie, Jules Henri Poincaré – briljant wiskundige, natuurkundige, mijnbouwkundig ingenieur, filosoof, bestsellerauteur, veelgevraagd adviseur van de Franse regering en, vanwege zijn buitengewone literaire kwaliteiten, één van de veertig ‘onsterfelijken’ van de Académie française. Bij de staatsbegrafenis, waar zijn neef Raymond Poincaré sprak als eerste minister (hij zou het jaar daarop president van de Franse republiek worden), werd de veelvuldig bekroonde wetenschapper geprezen als “een dichter van het oneindige, een bard van de wetenschappen”.

Met enige fantasie kan de dood van Poincaré gezien worden als een breekpunt, een moment waarop de wetenschap naar de moderne tijd overging. Ook al is Poincaré maar 58 jaar oud geworden, hij is de geschiedenis ingegaan als de laatste universele wetenschapper, zo groot is het aantal vakgebieden waar hij origineel werk heeft gedaan. Van de abstracte wiskunde tot de beweging van de hemellichamen, van de toedracht van mijnrampen tot de filosofie van de wetenschap, bijna alles leek in zijn geest te passen. Was de geest van deze uomo universale zo groot of was het universum in zijn tijd zo klein? Feit is dat aan het begin van de twintigste eeuw zich een explosie van kennis voordeed die het wetenschappelijk universum deed uitdijen tot een formaat dat het bevattingsvermogen van een enkel persoon ver overstijgt.

Terugkijkend is het altijd gemakkelijk om grote veranderingen in de wetenschap te herkennen. Zo’n transitie is als de overgang naar een volgende bergvallei tijdens een tunnelrijke treinreis door de Zwitserse Alpen. Opeens is er een compleet ander uitzicht, met een nieuw perspectief. Maar hoe voelt het als de trein de donkere tunnel inrijdt en er voor de passagiers nog geen licht aan de andere kant gloort? Als de schaduw bezit neemt van de ruimte en de blik eerder in heimwee naar achteren is gericht, dan vol verwachting naar voren?

Overgangsperiode

Het jaar 1912 was voor de fysica typisch zo’n overgangsperiode, halverwege het oude en het nieuwe wereldbeeld. Atomen en moleculen bleken de elementaire bouwstenen van de natuur te vormen, tezamen met de elektromagnetische straling die zij uitwisselen. Maar aan welke wetmatigheden voldeden zij? Aan het begin van de eeuw had Max Planck de eerste stap over de drempel gezet door te veronderstellen dat straling in kleine pakketjes komt. Het was een wanhoopsdaad. Hij was bereid elk van zijn fysische principes te offeren om de zaak te redden. Albert Einstein, die als geen ander de nieuwe tijdsgeest vertegenwoordigde, had vervolgens beschreven hoe atomen deze quanta van licht kunnen absorberen en uitzenden. Met dit werk, en niet zijn relativiteitstheorie, zou hij uiteindelijk de Nobelprijs verdienen. Niets in deze microscopische wereld leek op het mechanische universum van de negentiende eeuw, de soepel ronddraaiende raderen van het kosmisch uurwerk waarvan Poincaré de onbetwiste horlogemeester was.

De frontale botsing tussen oud en nieuw vinden we in de enige geregistreerde woordenwisseling van Poincaré en Einstein, mooi beschreven in de dubbelbiografie Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps (2003) van Peter Galison, hoogleraar wetenschapsgeschiedenis in Harvard. De ontmoeting vond plaats tijdens het befaamde eerste Solvay-congres, dat eind oktober 1911 in het Grand Hotel Metropole aan de Place de Brouckère in Brussel plaatsvond. Op uitnodiging van de Belgische industrieel Ernest Solvay waren de vierentwintig beste natuurkundigen van de wereld bijeengekomen om de crisis veroorzaakt door de quantumtheorie te bespreken. Het was duidelijk dat oude puzzelstukjes niet meer in elkaar pasten en vertrouwde patronen moesten worden opgegeven. De grote vraag tijdens deze Brusselse top was of er nog iets van het oude wereldbeeld te redden viel.

Voorzitter Hendrik Lorentz schetste in zijn inleiding een somber vooruitzicht. De natuurkunde leek een doodlopende weg ingeslagen. De oude theorieën waren niet staat licht te werpen op de schaduwen om hen heen en alleen Plancks idee van quanta had een welkome glimp van hoop geboden.

De Solvay-bijeenkomst leek op de huidige Europese topontmoetingen: vooral veel verwarring. Einstein was bijzonder negatief over deze ‘heksensabbat’. Aan zijn vriend Michele Besso schreef hij: ‘Het congres in Brussel leek op de jammerklachten over de ruïnes van Jeruzalem. […] Planck hield koppig vast aan zijn ongetwijfeld foute vooroordelen. […] Poincaré was gewoon algemeen negatief en, ondanks al zijn spitsvondigheid, liet hij zien de situatie niet te begrijpen.’ Alleen over Lorentz was hij positief. ‘Een wonder van intelligentie en tact. Een levend kunstwerk!’

In de verslagen van het Solvay-congres vinden we de volgende dialoog tussen Einstein en Poincaré. Nadat Einstein zijn quantumtheorie heeft uitgelegd, vraagt Poincaré: “Welke mechanica gebruikt u?” Hierop geeft Einstein het antwoord: “Geen mechanica.”

Deze woordenwisseling, die zo in een absurd toneelstuk past, is veelzeggend. Einstein begon waar anderen wilden eindigen. In plaats van zijn theorie stap voor stap af te leiden vanuit een vertrouwd vertrekpunt, koos hij een volstrekt nieuw perspectief. Terwijl de anderen nog de blik op de oude vallei richtten, had Einstein al licht aan het eind van de tunnel gezien. En in die nieuwe wereld was geen plaats voor de mechanische kijk van Poincaré.

Stabiel zonnestelsel

Toch waren de oudere conservatieven niet zonder begrip voor de jonge revolutionair. Poincaré zou direct na het congres een vlammende aanbevelingsbrief schrijven die Einstein zou helpen in 1912 hoogleraar te worden aan de ETH in Zürich. Lorentz zou hem in hetzelfde jaar zelfs vragen zijn opvolger te worden in Leiden. En zij waren niet onbekend met radicale ideeën. Poincaré was zijn carrière begonnen met een vergelijkbare radicale stap, hoewel gedeeltelijk onbedoeld. De Zweedse koning Oscar II had in 1884 een prijsvraag uitgeschreven om aan te tonen dat het zonnestelsel stabiel was. Nu de wetten van de hemellichamen bekend waren, was er de zorg dat de aarde uit zijn baan kon raken en de interstellaire ruimte in schieten – een soort negentiende-eeuwse versie van het zwarte gat dat de deeltjesversneller CERN mogelijkerwijs kon creëren om de aarde met huid en haar te verorberen. Poincaré bewees in zijn inzending dat dit onmogelijk was, maar realiseerde zich later dat hij enkele cruciale elementen vergeten was. Toen hij zijn oplossing wilde intrekken, kreeg hij te horen dat het te laat was. Hij had al gewonnen en zijn werk was gepubliceerd. Het prijzengeld zou hij moeten besteden aan een herziene druk. Anders dan een definitieve knak in zijn prille loopbaan, vestigde dit werk juist zijn naam als de vader van de chaostheorie en de grootste mechanicus na Newton. Deze laatste titel zou hij nu aan Einstein moeten overdragen.

Uiteindelijk zou geen van de deelnemers van de Solvay-conferentie de oplossing voor het probleem van de quantumtheorie weten te vinden. Die eer viel een onbekende (en afwezige) jonge Deense fysicus toe, die in 1912 in het laboratorium van Ernst Rutherford ging werken, waar zojuist de atoomkern was ontdekt. Het eerste werkbare model van het atoom zou in 1913 worden opgesteld door Niels Bohr. Volgens zijn principe mochten de elektronen alleen in heel speciale banen rond de kern draaien. De atomaire wereld leek in niets meer op het vertrouwde planetenstelsel. Dat duizelingwekkend gevoel met hoge snelheid een onbekende wereld in te rijden was, rond 1912, niet aan de wetenschap voorbehouden. Zoals prachtig beschreven in het boek The Vertigo Years (2008) van de Duitse historicus Philipp Blom tuimelden in deze vooroorlogse jaren de ontwikkelingen op allerlei terreinen over elkaar heen. De burger werd door technologie en urbanisatie omhoog gestuwd en moest zich stevig aan het hekwerk vasthouden om niet duizelend van hoogtevrees naar beneden te vallen. In die zin zou de krantenlezer van 1912 zo de hand kunnen schudden van die van 2012. Waar het ons nu duizelt van sociale media, globalisering, klimaatverandering en eurocrisis, bracht de grootschalige industrialisatie van de jaren voor de Eerste Wereldoorlog moderniteiten als de auto, de pantserkruiser, het vliegtuig, de telefoon, de grammofoon, de film en de filmster, het vrouwenkiesrecht, radioactiviteit, antroposofie, pacifisme en communisme. Enorme warenhuizen werden gebouwd als uitbundige consumentenpaleizen en permanente tentoonstellingen van deze hoorn des overvloeds – ook in Nederland: in 1912 begon de bouw van de Amsterdamse Bijenkorf aan de Dam.

Roddelpers en cinema

De gevolgen van al deze snelle veranderingen waren immens, met name voor de psyche van de moderne mens. Zoals nu e-mail en Twitter ons leven versnipperen, werden toen de opkomende roddelpers en cinema als grote schuldigen gezien. De samenleving leek aan een collectieve zenuwinzinking te bezwijken en kon zó op de sofa gaan liggen bij een andere icoon van die tijd, Sigmund Freud.

Het was ook een revolutionaire periode in de kunsten, die nadrukkelijk de verbanden met de wetenschap zochten. De wijze waarop kubisten als Braque en Picasso ruimte en tijd in plakjes sneden, liep parallel aan de grote doorbraken die Einstein in de natuurkunde maakte. In januari 1912 toonde Marcel Duchamp zijn beroemde Nu descendant un escalier no. 2, dat in één schilderij verschillende momentopnamen afbeeldt van een naakt dat de trap afloopt en zo de tijd bijna letterlijk als vierde dimensie zichtbaar maakt. Zoals zo vaak in die jaren, veroorzaakte dit abstracte schilderij een groot schandaal. Een Amerikaanse krant bood tien dollar voor degene die de dame kon vinden in deze ‘explosie in een dakpannenfabriek’. Het zou jarenlang voer voor cartoonisten blijven. Duchamp koos de vlucht naar voren en richtte zich op het nog absurdere dadaïsme.

In de muziek namen componisten als Schönberg, Berg, Webern en Stravinsky vergelijkbare reuzenstappen door vertrouwde harmonieën te verlaten en nieuwe ritmes en patronen te omarmen. In 1913 zou een nog groter schandaal ontstaan bij de uitvoering van Le Sacre du Printemps. ‘Een slachting van het trommelvlies’, schreef de Franse pers. Je kunt je gemakkelijk voorstellen wat er vandaag de dag voor lelijks over deze modernismen getwitterd zou worden.

Het nieuwe verschijnsel van de boulevardpers stuwt in die jaren het publieke sentiment tot grote hoogten. Het was in die tijd niet ongewoon dat op een rel een duel volgde en dat er ook bloed vloeide. Op 28 juli 1914 zou de vrouw van de Franse minister van Financiën de burelen van Le Figaro binnenlopen en in koelen bloede de hoofdredacteur vermoorden, uit wraak voor een jarenlange lastercampagne van deze krant tegen haar echtgenoot.

Ook een van de bekendste wetenschappers van die tijd werd in een dergelijk schandaal meegesleurd. Nobelprijswinnaar Marie Curie had enkele jaren na de tragische dood van haar echtgenoot Pierre Curie – hij werd bij de Pont Neuf door een koets overreden; zij bleef achter met twee jonge dochters – een romantische relatie gekregen met de fysicus Paul Langevin. Hij was jonger, een oud-leerling van haar echtgenoot, briljant en beslist niet bang – hij beklom ooit de Eiffeltoren om voor een proef de zuiverste lucht te vinden. Maar hij was ook getrouwd en vader van vier kinderen. Beiden waren bij de Solvay-conferentie aanwezig. De Franse pers had tijdens de bijeenkomst via mevrouw Langevin enkele van hun liefdesbrieven in handen gekregen en publiceerde daar nu passages van. ‘De radiumvuren die zo mysterieus branden, hebben het hart aangestoken van een van de wetenschappers die deze zo toegewijd bestuderen’, schreef de Franse roddelkrant Le Journal. Curie vond bij terugkomst in Frankrijk een opgewonden menigte voor haar huis die haar dochters bedreigde. Geheel in de geest van de tijd daagde Langevin de journalist uit voor een duel. Toen ze elkaar troffen, durfde echter geen van beiden een schot te lossen.

Terwijl heel Frankrijk in de ban was van dit schandaal, hoorde Curie dat zij voor de tweede keer de Nobelprijs had gewonnen. De Zweden adviseerden haar vanwege het schandaal niet naar Stockholm te komen, een advies dat zij niet opvolgde, daartoe aangemoedigd door Einstein. Uitgeput, depressief en met acute nierklachten moest ze na de uitreiking in een privékliniek bijkomen, terwijl ondertussen de publieke verontwaardiging voortraasde. Zij zou het grootste gedeelte van 1912 ondergedoken of op reis de pers proberen te ontvluchten. De relatie met Langevin was ten einde, hoewel hij wel van zijn vrouw scheidde. In een wonderlijk happy end van deze tragische liefdesgeschiedenis zouden de kleindochter van Curie en de kleinzoon van Langevin uiteindelijk wél met elkaar trouwen. Marie Curie verkreeg pas weer de steun van het publiek toen zij tijdens de Eerste Wereldoorlog met haar laboratoriumvrachtauto langs de Franse frontsoldaten reed, om röntgenfoto’s te maken van gebroken botten en verdwaalde kogels.

Grote veranderingen

Deze jaren zouden een ander nieuw, en nu weer volop bejubeld, verschijnsel in de wetenschap zien: de opkomst van het industrieel-wetenschappelijk complex – de innige samenwerking van de academische wereld en de moderne grootschalige industrie. Op 23 oktober 1912 opende de Duitse keizer Wilhelm II met veel vertoon twee naar hem genoemde instituten voor chemisch onderzoek in Berlijn. Om hem te vermaken, riepen wetenschappers met radioactieve materialen in een verduisterd lokaal bewegende lichtpatronen voor hem op. Deze Kaiser Wilhelm-instituten waren de voorlopers van wat nu de Max Planck-instituten zijn, in hun tijd een unieke combinatie van de kracht van de Duitse industrie en de wetenschap – een eerste voorbeeld van de op dit moment door de politiek zo geprezen publiek-private samenwerking. De directeur van het eerste instituut was de chemicus Fritz Haber. Bij de opening had de Duitse keizer al opgeroepen om nieuwe explosieve gassen te ontwikkelen voor de mijnbouw, maar al gauw bleken er andere toepassingen in het verschiet te liggen. Haber zou de stuwende kracht worden achter de ontwikkeling en toepassing van gifgassen tijdens de Eerste Wereldoorlog. Zo bezien is het ook een kleine stap naar Los Alamos en de kernbom.

Terugkijkend zien we in het jaar 1912 de eerste aanzetten van de grote revoluties die de twintigste-eeuwse fysica zouden kleuren. Einstein die na een aantal briljante werken zijn magnum opus voorbereidt: de algemene relativiteitstheorie; Bohr die op het punt staat zijn quantummechanische atoommodel te bedenken; en de eerste verschijningsvorm van de tandem van wetenschap en industrie, die de samenleving compleet zou veranderen. Achteraf gezien was het gevoel van hoogtevrees terecht.

De parallellen met de wereld van 2012 zijn niet vergezocht. Ook nu staat de natuurkunde aan de vooravond van grote veranderingen. Wat staat ons in het huidige tijdsgewricht te wachten? Zal het Higgs-deeltje ontdekt worden of niet? Zullen neutrino’s de theorie van Einstein gaan ondergraven? Kunnen nieuwe satellieten uit de sporen aan de hemel het raadsel van de oerknal oplossen? Waaruit bestaat de donkere materie en energie die 96 procent van het heelal vult? Aangedreven door de locomotief van de technologie raast de trein met nog grotere snelheid voort en spoedt zich opnieuw een tunnel in, op weg naar een volgend vergezicht.