Quantummechanica

Max Planck

In zekere zin heeft Von Jolly gelijk gehad. Eind negentiende eeuw loopt de klassieke natuurkunde een beetje op z'n eind. Met de bestaande natuurkundige kennis zijn niet alle problemen meer op te lossen. Zoals het vraagstuk dat Gustav Kirchhoff al in 1859 heeft opgeworpen. Het betreft de straling van een zogeheten zwart lichaam, een voorwerp dat alle energie –dus ook al het licht– absorbeert. Omdat het geen licht weerkaatst, heeft het een zwarte kleur.

Maar zo'n zwart lichaam straalt ook alle opgenomen energie weer uit. En daar ligt Kirchhoffs probleem. Hij merkt dat de uitgestraalde energie samenhangt met de temperatuur van het zwarte lichaam en de frequentie van de straling. Hoe precies, is hem echter niet duidelijk en hij daagt collega-natuurkundigen uit het probleem op te lossen.

Verschillende pogingen worden gedaan. Het is uiteindelijk Max Planck (1858-1947) –al vroeg in z'n carrière geboeid door zwarte lichamen– die in 1900 de oplossing vindt. Medewetenschappers zijn onmiddellijk overtuigd van de juistheid van de ”stralingswet van Planck”.

Intuïtie
Maar Planck zelf is niet tevreden, want niet pure wetenschap maar intuïtie heeft hem tot de formule geleid. Hij wil zijn wet theoretisch onderbouwen. Dat is behoorlijk revolutionair, want tot dan toe worden stellingen vooral met experimenten bewezen. Het kost Planck twee maanden om een bewijs te vinden. Daarbij doet hij een opzienbarende veronderstelling. Energie wordt 'getransporteerd' in de vorm van minuscuul kleine pakketjes, die Planck ”quanta” (meervoud van quantum, hoeveelheid) noemt. De energie van een quantum is gelijk aan de frequentie van de straling maal een constante h, nu bekend als de constante van Planck, een uiterst klein getal met 34 nullen achter de komma.

Plancks quantumtheorie is een keerpunt in de natuurkunde. Zo opent hij de weg voor de microfysica, de wereld van het atoom die niet met de klassieke natuurkundewetten kan worden beschreven. Het duurt echter jaren voordat deze verreikende gevolgen worden opgemerkt. In het erkenningsproces speelt Albert Einstein (1879-1955) een belangrijke rol.

De geboren Duitser geniet zijn opleiding aan de Polytechnische Academie in het Zwitserse Zürich. Hij is nog maar 26 jaar oud als hij in 1905 vijf belangrijke artikelen schrijft in het vooraanstaande Duitse wetenschappelijke maandblad ”Annalen der Physik”.

Universum
Einsteins artikelen veranderen voorgoed de kijk op het universum. Zo stelt hij dat licht is opgebouwd uit afzonderlijke lichtpakketjes, die hij quanta noemt – later heten ze fotonen. Licht gedraagt zich daardoor niet alleen als een golf, maar heeft ook een deeltjeskarakter. Daarmee geeft hij een verklaring voor het foto-elektrisch effect, het verschijnsel dat sommige materialen elektronen uitstoten als er licht op valt.

Bekender is zijn specifieke relativiteitstheorie, oftewel: massa is energie en energie is massa. Iedereen kent Einstein dan ook van zijn formule E=mc2. De jonge Einstein verwerft zich met zijn artikelen in één klap een plaats onder Europa's grootste natuurkundigen. Max Planck schijnt als eerste belangrijke wetenschapper de specifieke relativiteitstheorie te hebben ondersteund.

Een groot deel van zijn wetenschappelijke carrière houdt Einstein zich bezig met het opstellen en vervolmaken van de algemene relativiteitstheorie (1916), waarin hij onder meer uitspraken doet over de aard van de zwaartekracht. Tijdens de totale zonsverduistering op 29 mei 1919 wordt daarvoor het bewijs geleverd. Hoewel slechts enkelen de relativiteitstheorie begrijpen, is de wetenschap overtuigd van het gelijk van Einstein, en ook van zijn enorme genialiteit.

De bijna spreekwoordelijk geworden excentrieke Einstein is niet alleen wetenschapper maar ook filosoof, musicus en overtuigd pacifist. Het zal voor hem dan ook een bittere pil zijn geweest dat E=mc2–een kleine hoeveelheid materie is gelijk aan een enorme hoeveelheid energie– het ultieme bewijs vindt in de atoombom en waterstofbom, de meest verwoestende wapens ooit gemaakt.

Serie uitvindingen