De eerste Solvay-conferentie staat bekend als de openbaring van de formidabelste revolutie in de fysica sinds Galilei en Newton. Ook na die legendarische editie in 1911 bleven de conferenties de koers van de moderne natuurkunde markeren.
Openingsbeeld: Groepsfoto van de eerste Solvay-coferentie in 1911. Staand, van links naar rechts: Goldschmidt, Planck, Rubens, Sommerfeld, Lindemann, De Broglie, Knudsen, Hasenohrl, Hostelet, Herzen, Jeans, Rutherford, Kamerlingh Onnes, Einstein, Langevin. Zittend: Nernst, Brillouin, Solvay, Lorentz, Warburg, Perrin, Wien, Curie, Poincaré.
Dit is zonder twijfel de beroemdste foto uit de geschiedenis van de natuurkunde. Het kruim van de geleerden van het begin van de 20ste eeuw is erop verzameld. Deze wetenschappers legden de fundamenten van de moderne natuurkunde, de relativiteit, de quantummechanica en de kernfysica.
Op de foto staan Marie Sklodowska-Curie, Albert Einstein, Max Planck, Henri Poincaré, Hendrik Lorentz, Ernest Rutherford, Jean Perrin en nog wat anderen - het zijn er nauwelijks meer dan twintig in totaal. Onder hen acht Nobelprijswinnaars. De jonge Albert Einstein (1879-1955) noemde de ontmoeting in Brussel een 'heksensabbat'.
De wetenschappers, theoretici en experimentalisten kwamen van 30 oktober tot 3 november 1911 samen in Hotel Métropole. Ze waren er op uitnodiging van Ernest Solvay (1838-1922), een van de belangrijkste figuren van het Belgische kapitalisme. De autodidact die een immens fortuin had opgebouwd in het domein van de chemie, was gepassioneerd door wetenschap en gedreven door de geest van vooruitgang die typerend was voor zijn tijd.
Solvay had graag een beperkt aantal vooraanstaande geleerden ontmoet en hun zijn ideeën over fysica en chemie voorgelegd. Maar hij was zo vooruitziend om in de plaats daarvan de wetenschappers onder elkaar te laten overleggen. Zo droeg hij met zijn initiatief, dat bekend kwam te staan als de Solvay-conferentie, bij aan de fascinerende vooruitgang van de wetenschap van zijn tijd.
Hij koos ervoor de conferentie te laten voorzitten door een van de meest gerespecteerde geleerden van het moment. Hendrik Lorentz (1853-1928) was een eminent specialist in het domein van het elektromagnetisme en een voorloper van de relativiteitstheorie. Hij was een polyglot en een uitmuntend diplomaat. Hij had de Nederlandse nationaliteit, wat hem in die tijd een neutraal statuut verleende. Het maakte het makkelijker om de Duitse, Franse en Britse geleerden te benaderen in een periode waarin het nationalisme hoogtij vierde.
Hendrik Lorentz als voorzitter van de eerste Solvay-conferentie kiezen, was een slimme zet. De Nederlander kon de Duitse, Franse en Britse geleerden neutraal benaderen
Na overleg tussen Lorentz, Planck en Nernst werd als thema voor de eerste conferentie gekozen voor ‘De theorie van straling en de quanta’. Onder deze titel openbaarde zich de formidabelste revolutie in de natuurkunde sinds Galilei en Newton: de quantummechanica die de microscopische wereld aanstuurt.
Op het moment van de eerste Solvay-conferentie was maar een handvol wetenschappers zich ervan bewust dat er een fundamentele omwenteling in de natuurkunde zat aan te komen. Alleen in Brussel had alleen Henri Poincaré (1854-1912) een idee van wat er speelde. Hij was een groot wis- en natuurkundige en samen met Einstein de bedenker van de relativiteitstheorie. En wanneer hij terugkeerde uit Brussel naar Parijs was hij een overtuigd man.
Tegenintuïtieve doorbraak
Op het einde van de 19de eeuw deden veel natuurkundigen, voornamelijk in Duitsland, onderzoek naar de emissie van lichtstralen door opwarmende voorwerpen die van kleur veranderen – van zwart naar rood, geel en wit. Ze wilden op een afstand de temperatuur kunnen meten van gesmolten staal in de ovens van de ijzer- en staalindustrie.
De dominante theorie in die tijd kwam voort uit recent werk van James Clerk Maxwell (1831-1879) en Ludwig Boltzmann (1844-1906). Die eerste was erin geslaagd licht, elektriciteit en magnetisme één te maken tot elektromagnetisme. De tweede had de thermodynamica – de theorie van warmte – ontwikkeld onder de vorm van statistische mechanica.
Samen met de mechanica van Newton vormden het elektromagnetisme en de statistische mechanica de (vermeende) onwankelbare pijlers van de natuurkunde aan het eind van de 19de eeuw.
Helaas leidde deze wetenschap tot resultaten die niet strookten met de experimentele metingen van straling. Ook in theorie waren de resultaten absurd: je had een oneindige energie nodig om de temperatuur van een voorwerp met een graad te verhogen.
Na talloze pogingen om de zaak op te lossen, bereikte Max Planck (1858-1947) een conclusie in december 1900. De enige manier om uit de impasse te geraken en tot experimentele resultaten te komen, bestond erin om aan te nemen dat het licht dat wordt uitgezonden door een opwarmend voorwerp niet continu gebeurt, maar onder de vorm van afzonderlijke pakketjes, of ‘quanta’.
Plancks idee was even revolutionair als tegenintuïtief. De quanta waarover hij het had, bevatten elk een goed gedefinieerde energie. Die hangt af van de golflengte van het licht dat wordt uitgezonden en van wat we inmiddels kennen als ‘Plancks constante’: een minuscule hoeveelheid die alleen in de microscopische wereld te zien is.
In 1905 – het jaar waarin hij de theorie van de speciale relativiteit formuleerde – veralgemeende Einstein de aanpak van Planck. Hij veronderstelde dat licht niet alleen in quanta wordt uitgezonden, maar dat het zich ook in die vorm verspreidt.
Op die manier vond hij een verklaring voor het zogenoemde foto-elektrisch effect. Licht dat op een metaal valt en elektronen ervan laat loskomen, geeft die allemaal dezelfde energie - in die zin dat ze dezelfde snelheid krijgen. De vondst leverde Einstein in 1921 de Nobelprijs op.
En in 1907 maakte Einstein weer gebruik van de quanta. Deze keer om uit te leggen dat bepaalde voorwerpen bij zeer lage temperaturen warmte op een abnormale manier absorberen. Dat komt volgens Einstein omdat ze die warmte enkel kunnen absorberen via ondeelbare pakketjes.
Het idee wekte interesse bij chemicus Walther Nernst (1864-1941). En niemand minder dan Solvay had al met hem gepraat over zijn project van een wetenschappelijke conferentie, nog voor Nernst de hand van Lorentz schudde. Kortom, de Solvay-conferentie van 1911 had een zeer belangrijk vraagstuk op de agenda geplaatst.
Succes en tegenspoed
De conferentie werd op meesterlijke wijze voorbereid door Lorentz. Hij koos de genodigden zorgvuldig uit, de sprekers zelf deelden op voorhand al de tekst van hun rapporten. En tijdens de sessies was veel ruimte voorzien voor discussie. Iedereen drukte zich uit in zijn eigen moedertaal, Lorentz zorgde waar nodig voor de vertaling.
Vriendschappen werden gesmeed en bleven tientallen jaren duren. Bovendien werden de deelnemers met veel luister ontvangen door koning Albert en koningin Elisabeth.
Het succes van de conferentie was vooral te danken aan het uitzonderlijke niveau van de wetenschappelijke uitwisselingen. Getuige daarvan zijn de verslagen van de hand van Maurice de Broglie (1875-1960) en van Paul Langevin (1872-1946), die na Lorentz de conferenties voorzat.
De verslagen bevatten alle details van de discussies – aan het 22 pagina’s tellende rapport van Planck zijn maar liefst 18 pagina’s discussie toegevoegd. Het is fascinerend om intelligentie in actie te volgen in een wetenschap die zich volop aan het ontplooien is. Of zoals Einstein achteraf zei: ‘Ook al heeft niemand een duidelijk inzicht, de hele zaak zou een gezelschap van diabolische jezuïeten verblijden.’
De verslagen van die eerste conferentie telden niet minder dan 450 pagina’s en werden zowel in het Frans als in het Duits gepubliceerd. Hun publicatie zette de vraag van de quanta wereldwijd op de wetenschappelijke agenda’s.
Het succes van de conferentie van 1911 – zowel op wetenschappelijk als op persoonlijk en relationeel vlak – zette er Solvay en Lorentz toe aan een tweede conferentie bijeen te roepen in 1913. Deze keer was ze gewijd aan de structuur van materie. Ze richtte zich in het bijzonder op het atoom en op de aard van röntgenstralen.
De meeste deelnemers van de eerste conferentie waren opnieuw van de partij. Ze werden vervoegd door andere vooraanstaande geleerden. Ondertussen had Solvay een geldsom neergelegd voor de stichting van een Instituut voor Fysica, waarvan hij de wetenschappelijke leiding toevertrouwde aan Lorentz. Die had de taak om elke drie jaar een conferentie te organiseren. Tot vandaag blijft dat systeem doorlopen. Vanaf 1922 kwamen er ook conferenties over chemie bij.
Helaas kon de derde conferentie niet doorgaan zoals voorzien, omdat de Eerste Wereldoorlog de wetenschappelijke gemeenschap uiteenreet. Verscheidene briljante jonge wetenschappers vonden de dood op de slagvelden, en zodra de vrede was teruggekeerd, triomfeerde het chauvinisme. Duitse en Oostenrijkse wetenschappers werden geweerd van de derde conferentie, die in 1921 werd samengeroepen.
Zelfs Einstein, die bekendstond om zijn pacifistische houding, werd het onderwerp van betwisting. Uiteindelijk woonde hij de conferentie van 1921 niet bij. Hij trok in de plaats naar de Verenigde Staten, om er fondsen te werven voor de Hebreeuwse universiteit van Jeruzalem. En in 1924 weigerde hij resoluut om naar Brussel te komen, zolang Duitse wetenschappers werden uitgesloten.
Einstein als ultieme toetssteen
Naast de editie van 1911 is er nog een andere Solvay-conferentie die een mythische positie bekleedt in de geschiedenis van de natuurkunde. De vijfde editie in 1927 betekende vooreerst de terugkeer naar Brussel van de Duitse geleerden, nadat Duitsland was toegetreden tot de Volkenbond en nadat koning Albert I zijn goedkeuring had gegeven. Maar ze was vooral belangrijk omdat ze een nieuwe generatie geleerden ontving: de grondleggers van de quantummechanica.
Even terug naar de jaren voor de vijfde conferentie. Na voorbereidend werk door Planck en Einstein kreeg de theorie van de quanta vorm dankzij de inspanningen van Niels Bohr (1885-1962). In 1913 sloot hij zich in Manchester aan bij Ernest Rutherford (1871-1937), een uitmuntend experimentator.
Rutherford had in 1909 al experimenteel aangetoond dat een atoom een positief geladen kern heeft die bijna zijn volledige massa bevat en omgeven is door negatieve elektronen. Die elektronen draaien rond de atoomkern als planeten rond een zonnestelsel. Op dat moment stelde zich nog een probleem: volgens de theorie zouden de ronddraaiende elektronen licht moeten uitstralen en snel moeten neerstorten op de kern.
Bohr stelde een oplossing voor via de theorie van de quanta: de elektronen stralen niet continu licht uit en blijven op een stabiele baan, en een quantum van het licht wordt uitgestraald alleen bij de overgang van de ene baan naar de andere. Einstein noemde Bohrs theorie ‘de mooiste manifestatie van muzikaliteit die je je kan inbeelden in de sfeer van het denken’. Het model stond centraal in de discussies van de Solvay-conferentie van 1921.
Ondanks talrijke successen in de atoomfysica was Bohrs aanpak nog twijfelachtig en empirisch. Ze vermengde de concepten van de klassieke natuurkunde met de quantumaanpak, volgens het vaag geformuleerde ‘correspondentieprincipe’.
Een nieuwe generatie onderzoekers slaagde er geleidelijk aan in om die tegenstelling te overstijgen. In enkele jaren tijd, van 1924 tot 1927, formuleerde ze een coherente quantumtheorie. Haar aanpak was die van de golfmechanica van Louis de Broglie (1892-1987) en Edwin Schrödinger (1887-1961), de matrixtheorie van Max Born (1882-1970) en Werner Heisenberg (1901-1976), en de niet-commutatieve algebra van Paul Dirac (1902-1984). Ze waren allemaal aanwezig op de conferentie van 1927.
In 1927 stond de jonge generatie te trappelen om de nieuwe theorie te toetsen aan het scherpe vonnis van Albert Einstein, een van de grondleggers van de quantumtheorie. En dat drama speelde zich af in Brussel.
Einstein ging in tegen de stellingen van de School van Kopenhagen, die zo werd genoemd door de centrale rol die Niels Bohr had bij de interpretatie van de theorie. De aanpak was gebaseerd op het onzekerheidsbeginsel voorgesteld door Heisenberg in 1927. Dat beginsel stelt dat je complementaire variabelen, zoals de positie en snelheid van een deeltje – ofwel het moment van een reactie en de vrijgegeven energie – niet tegelijkertijd nauwkeurig mag meten in de microscopische wereld.
Einstein kwam vooral op tegen de interpretatie van zijn vriend Max Born, die stelde dat de microscopische wereld onderhevig is aan wetten die intrinsiek en onvermijdelijk probabilistisch zijn. Volgens Einsteins beroemde formule ‘speelt God niet met dobbelstenen’ en is de probabilistische presentatie van de nieuwe theorie niet meer dan een manifestatie van zijn tekortkomingen en onvolledigheden.
De experimentele resultaten van de beroemde ‘ongelijkheden van Bell’ hebben sedertdien aangetoond dat Einstein het bij het verkeerde eind had. Toch waren zijn bijdragen aan de controverse volgens Bohr zelf van onschatbare waarde. Ze hielpen gigantisch om de betrokken concepten te verduidelijken.
Op weg naar kernfysica, deeltjesfysica en kosmologie
Het debat tussen Bohr en Einstein over de interpretatie ging door op de conferentie van 1930. Belgisch natuurkundige Léon Rosenfeld (1904-1974) schreef in zijn verslag: ‘Einstein dacht met zijn beroemde doos een tegenvoorbeeld te hebben gevonden voor het onzekerheidsprincipe. Uit die doos wordt op een bepaald moment een foton uitgezonden waarvan het gewicht voor en na de emissie de energie van het uitgezonden foton bepaalt.’
‘Bohr was ondersteboven van het probleem, waarvoor hij niet direct een oplossing zag. De hele avond was hij extreem ongelukkig, ging hij van de ene naar de andere en probeerde hij hen ervan te overtuigen dat dit niet waar kon zijn, dat dit het einde van de natuurkunde betekende als Einstein gelijk had.’
‘Maar hij slaagde er niet in een oplossing te vinden. Ik zal nooit de scène vergeten waarbij de twee antagonisten de club verlieten: Einstein, grote gestalte, rustig wandelend, met een soort van ironische glimlach op het gezicht. En Bohr die achter hem aan liep, erg opgewonden, tevergeefs pleitend dat als Einsteins bewering klopte, dit het einde van de natuurkunde betekende.’
‘De volgende morgen triomfeerde Bohr en was de fysica gered. Bohr had het antwoord gevonden. Hij had zich gebaseerd op de principes van de algemene relativiteitstheorie van Einstein.’ Je kan je voorstellen hoe Einstein en Bohr door de straten van Brussel liepen.
De conferentie van 1933 was een keerpunt. Niet alleen was Marie Curie voor het eerst niet de enige aanwezige vrouw (!), de conferentie markeerde ook het begin van de nieuwe kernfysica. Deze keer was er een overgewicht aan experimentalisten en grote instrumenten, deeltjesversnellers en detectoren. En Einstein was er opnieuw niet bij. Hij werd op dat moment vervolgd door de nazi’s en was gevlucht naar de Verenigde Staten.
De conferentie van 1933 markeerde het begin van de nieuwe kernfysica, met deeltjesversnellers en detectoren
De daaropvolgende conferentie werd een tweede maal uitgesteld door de oorlog en de strijd tegen het fascisme van veel deelnemers. Ze vond plaats in 1948. Ze werd gewijd aan de nieuw ontdekte elementaire deeltjes in de kosmische straling. De conferentie van 1958 was gewijd aan de kosmologie en werd bijgewoond door kanunnik Lemaître. De editie van 1961 zorgde voor vuurwerk: ze verzamelde alle grote namen van de deeltjesfysica - er waren evenveel deelnemers als er hoofdstukken zijn in handboeken natuurkunde!
Vandaag zijn de conferenties geen unieke evenementen meer zoals de eerste, waarbij een theoretische fysica zich volop aan het ontwikkelen was. De Solvay-conferenties vormen nog wel een uitzonderlijk ontmoetingsmoment tussen de grootste specialisten in de meest geavanceerde natuurkunde, zowel in het domein van de theorie van de fundamentele krachten van de materie als in de kosmologie.
