Van zandkorrels naar kwanta

Bron: #Dwars door de buurt – editie 213

Geleerden en straatnamen in de Watergraafsmeer – deel 12

Aan de oostzijde van Middenmeer – tegen de spoordijk met het rangeerterrein aan – dragen alle straten de naam van Archimedes van Syracuse (287-212 v. C.), de grootste uitvinder en wis- en natuurkundige van de oudheid. Archimedesweg, Archimedeslaan en Archimedesplantsoen vormen daar een heel stratennetwerk.

Archimedes schreef meer dan twee eeuwen voor onze jaartelling De Zandrekenaar. Dat is de vertaalde titel van het verbluffende boek Psammites. Hij stelt zich daarin als taak om met het allerkleinste, een zandkorrel, het allergrootste, het heelal, in een enorm getal weer te geven.
‘Hoe komt iemand ertoe zo’n waanzinnig idee uit te werken’ is een gedachte die hierbij gemakkelijk opkomt. Maar enkele heldere inzichten hebben aan dit project ten grondslag gelegen. Oneindigheid maakt immers voor de mens geen deel uit van de werkelijkheid. Als oneindig klein niet bestaat, moet er iets zijn dat ondeelbaar het allerkleinste is. Archimedes nam daarvoor de zandkorrel. Evenzo moet, als oneindig groot niet bestaat, er iets zijn dat het allergrootste is, letterlijk het ‘heelal’. Nu rest nog het rekenwerk op basis van alle beschikbare kennis en dat was duidelijk een kolfje naar de hand van Archimedes.

Plancks kwanta
Dichtbij de Kruislaan maakt het Archimedesplantsoen een paar hoeken terwijl in het verlengde rechtdoor een korte straat de naam Max Planckstraat draagt. De bebouwing aldaar bestaat uit vier etages hoge appartementenblokken die in de jaren vijftig van de vorige eeuw gebouwd zijn.
Het kan bijna niet zo zijn dat deze opzet toevallig is. Het lijkt te symboliseren dat het allerkleinste van Archimedes, de zandkorrel van De Zandrekenaar, leidt naar het allerkleinste energiepakketje van de natuurkunde van nu. Dit pakketje kreeg de naam kwantum. Door de Duitse natuurkundige Max Planck (1858-1947) werd dit getal met een ongelooflijk geringe waarde geïntroduceerd in 1900. Als eenheid die het allerkleinste weergeeft, kreeg het de naam Constante van Planck.
Dit energiepakketje was aanvankelijk een wiskundig hulpmiddel om de geleidelijke toename van de energie van elektromagnetische straling van infrarood tot ultraviolet te beschrijven. In 1905, echter, publiceerde Albert Einstein – in wat nu zijn wonderjaar genoemd wordt – vijf baanbrekende artikelen over zeer verschillende onderwerpen. In een van die artikelen geeft hij een verklaring voor het door Heinrich Hertz in 1887 ontdekte foto-elektrisch effect. Hij bewees daarmee dat Plancks kwanta echt bestaan in de vorm van fotonen.

Golf of deeltje?
Het 17de eeuwse dilemma of licht uit deeltjes bestaat (Isaac Newton) of een golfverschijnsel is (Christiaan Huygens) kreeg daarmee in de decennia rond 1900 opnieuw betekenis; licht als golfverschijnsel (James Clerk Maxwell) en licht als deeltje (Albert Einstein).
Max Planck bereikte een hoge leeftijd en was als hoogleraar theoretische natuurkunde te Berlijn een beroemdheid. Wetenschappelijke onderzoeksinstituten op zeer verschillende wetenschapsgebieden in Duitsland en ook daarbuiten (Nijmegen onder andere) dragen ook nu nog de naam Max Planck Instituut. Planck werd geboren toen Maxwell in Engeland nog zoekende was naar de wiskundige beschrijving van zijn en Faraday’s experimentele resultaten over het verband tussen elektriciteit en magnetisme. Hij overleed kort nadat atoombommen het einde van de oorlogshandelingen in de Tweede Wereldoorlog markeerden. Deze bommen brachten – zonder dat Einstein daar direct bij betrokken was – diens beroemde formule uit 1905 E=mc2 in de praktijk.

Vier dimensies
De Nobelprijs 1918 werd aan Planck toegekend ‘voor zijn verdiensten voor de fysica door de ontdekking van energiekwanta’. Albert Einstein was de winnaar van de Nobelprijs 1921 ‘voor de verklaring van het foto-elektrisch effect’ (het bestaan van fotonen). Wetenschapshistorici plaatsen het ontstaan van de moderne natuurkunde bij de kwanta van Planck dan wel bij Einsteins vijf artikelen uit zijn wonderjaar.
In de Watergraafsmeer vinden we geen Einsteinweg, maar Amsterdam heeft er wel één. Einstein is het icoon van de moderne natuurkunde; vele boeken zijn over hem en ter verklaring van zijn werk geschreven. Dit heeft tot zijn vernoeming geleid in een van de drukste wegen van de stad, de westelijke poot van de A10 rondweg van en naar de Coentunnel. Per dag berijden tienduizenden deze weg terwijl slechts een enkeling de naam tot zich laat doordringen.
Einsteins speciale relativiteitstheorie met de formule E=mc2, die hij publiceerde in 1905, was uiterst revolutionair. Hij baseerde deze theorie op het onomstotelijk vastgestelde gegeven dat de lichtsnelheid – of feitelijk juister de snelheid van alle elektromagnetische straling in vacuüm – waar deze ook vandaan komt, altijd een vaste waarde heeft van bijna 300.000km/seconde. Dit leidde tot het lastig te begrijpen concept van een vierdimensionale ruimtetijd met een aantoonbaar verschillend tijdsverloop voor punten die ten opzichte van elkaar bewegen.

MRI scans
Deze speciale relativiteitstheorie vormde de verbazingwekkende kroon op het werk van de 19de eeuwse experimenteerders en wetenschappers die opmerkzaam en verrast elektrische en magnetische verschijnselen analyseerden en probeerden te begrijpen; vele straten in de Watergraafsmeer dragen hun namen. In eerdere afleveringen van deze rubriek kwamen al aan de orde: de Nederlanders Zeeman en Lorentz, de Engelsen Faraday en Maxwell, de Fransen Ampère, Curie en Becquerel, de Italianen Galvani, Volta en Marconi, de Duitsers Hertz en Röntgen (Nederlandse moeder) en de Amerikanen Edison en Tesla.
Deze experimenteerders, uitvinders en wetenschappers ontdekten de basisprincipes waarop onze totaal geëlektrificeerde samenleving functioneert. Massale elektriciteitsopwekking en -distributie maken zaken als kunstlicht, elektromotorische aandrijving, magnetrons, inductiekookplaten, elektrische draadloze tandenborstels en scheerapparaten, telecommunicatie via smartphone en internetstreaming, radio en TV, GPS-navigatie en contactloos betalen, computers en medische beeldvorming met röntgenstralen, CT- en MRI-scans heel gewoon. Het is allemaal gebaseerd op technisch doorborduren op inzichten die 100 tot 200 jaar geleden ontstaan zijn.

Eureka
Max Planck en Heinrich Hertz studeerden beiden bij Hermann von Helmholz (1821-1894), hoogleraar natuurkunde te Berlijn. In de Watergraafsmeer is de Helmholzstraat bij het Christiaan Huygensplein naar hem vernoemd. Von Helmholz was in de tweede helft van de 19de eeuw in het zojuist door Bismarck verenigde Duitse keizerrijk een uiterst gerespecteerde, zeer breed georiënteerde wetenschapper met een enorme reputatie. Opgeleid tot militair arts had hij grote belangstelling voor onderzoek naar de werking van de zintuigen, het zien en het horen, en hij deed belangrijke uitvindingen voor medische apparatuur.

Op jonge leeftijd werd hij hoogleraar geneeskunde, maar zijn belangstelling voor de natuurkunde won uiteindelijk, en in 1871 werd hij hoogleraar natuurkunde te Berlijn. Daar introduceerde hij het werk van Faraday en Maxwell over elektromagnetisme, waarop zijn leerlingen Planck, Hertz en anderen met veel succes voortbouwden.
Op de kruising waar het Archimedesplantsoen een hoek maakt en waar rechtdoor de Max Planckstraat loopt, komt ook de Rutherfordstraat uit. Deze straat is genoemd naar de Nieuw-Zeelandse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937), die beschouwd wordt als de vader van de kernfysica, de wetenschap die onderzoekt welke processen spelen in de eerder als ondeelbaar beschouwde atomen. Rutherford was hoogleraar natuurkunde te Montreal, Canada en in Manchester en Cambridge, Engeland. Hij kreeg de Nobelprijs Scheikunde 1908 voor ‘zijn onderzoek naar het uiteenvallen van elementen en de scheikunde van radioactieve substanties’.
Het ligt voor de hand dat Archimedes razend enthousiast geweest zou zijn over Plancks kwanta. Maar ook Rutherfords ontdekking dat radio-actief verval de bron van de warmteontwikkeling in de aardkern is, had hem vast Eureka!* doen uitroepen. #

*De opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof of gas ondervindt is even groot als het gewicht van de verplaatste vloeistof of gas. Dat ontdekte Archimedes op een dag dat hij in het bad ging zitten. Hij rende opgewonden en nog zonder kleren door de straten van de stad en schreeuwde ‘Eureka’, oftewel ‘Ik heb het gevonden’.

Robert van Andel