Karel Van Camp en Dirk Van Dyck nemen het op voor James Clerk Maxwell, een van de grootste fysici aller tijden.
Afgelopen zomer verscheen de Eos Special over fysica en ruimte. Daarin werd, volgens fysicaprofessoren Karel Van Camp en Dirk Van Dyck, te weinig aandacht geschonken aan één van vier grote fysici. Lees hier hun briefwisseling.
Karel Van Camp
Geachte redactie,
Onlangs kocht ik het speciale nummer van de Eos Special over fysica en ruimte. De bijdragen waren van een hoogstaand vulgariserend niveau. Ik heb een aantal zaken bijgeleerd of opgefrist. Op de tijdlijn heb ik evenwel een belangrijke aanvulling te maken. De vier grootste fysici aller tijden zijn Galileo Galilei, Isaac Newton, James Clerk Maxwell en Albert Einstein. Eén ervan ontbreekt in de tijdlijn.
Eerst Isaac Newton. Hij heeft zijn status niet in de eerste plaats te danken aan de kleurenanalyse van het licht met een prisma, maar wel aan zijn boek Philosophiae Naturalis Principia Mathematicavan 1687. Voor de eerste maal in de fysica bouwde hij met de invoering van drie axioma’s of wetten de mechanica op en verklaarde zo wiskundig de wetten van Kepler, de kometenbanen, de getijden enzovoort.
De invoering van axioma’s leidde Euclides eerder al, in de vierde en derde eeuw v. Chr., tot de zeer geslaagde opbouw van de vlakke meetkunde. Maar Newton gebruikte de techniek voor de eerste keer in de fysica, met een even groot succes. Alle grote theoretische stappen in de fysica (en eigenlijk ook dikwijls in de andere wetenschappen) gebeuren via de techniek van axioma’s. Axioma’s zijn feiten, experimentele gegevens, vaststellingen, ingevingen … die niet wiskundig te bewijzen zijn, dikwijls niet logisch zijn en soms tegen alle gezond verstand ingaan. De snelheid van het licht is bijvoorbeeld steeds constant, of de bron of de waarnemer nu beweegt of niet. Erger nog, soms begrijpt de uitdenker van axioma’s zelf niet wat hij beweert. Nu pas beginnen we te begrijpen wat massa is. Erwin Schrödinger had een totaal verkeerd idee wat zijn golffuncties betekenden. Die hadden niet met golven te maken, maar met waarschijnlijkheden.
De volgende fysicus die deze techniek van axioma’s benutte en die ontbreekt in de tijdlijn was James Clerk Maxwell. In 1861 kreeg Maxwell het geniale idee om vier experimentele wetten (twee keer Gauss, Faraday en Ampère) als axioma’s aan te nemen. Daarmee bewees hij dat licht een transversale elektromagnetische golf is. Wat Thomas Young en vooral de Franse wetenschappers experimenteel hadden aangetoond - de transversale golf - was nu eindelijk verklaard. Eindelijk wist men wat licht was. Dat zette Maxwell naast Newton. Daarom was de verklaring van het foto-elektrisch effect door Einstein ook zo’n schok, juist omdat het inging tegen één van de fundamentele begrippen van de fysica.
Ook onder meer Einstein gebruikte axioma’s, voor zijn beperkte relativiteitstheorie: de lichtsnelheid is steeds constant (te gek om waar te zijn, maar experimenteel aangetoond door Albert Michelson in 1887). Voor zijn algemene relativiteitstheorie stelde hij dat zijn theorie niet in conflict mocht komen met: ‘Gravitatiemassa is identiek aan inertiemassa’. Experimenteel was dat wel aangetoond door de Hongaarse fysicus Loránd Eötvös in 1890, maar het kon wel als zeer ongewoon en uniek beschouwd worden. Zeker als men dieper nadenkt over die twee soorten massa’s uit twee formules die hoegenaamd niets met elkaar te maken hebben (F=ma inertie en F=GmM/r² gravitatie).
De tekst over Galileo in de tijdlijn is weinig respectvol. Hij is toch de eerste die experimenteerde en observeerde en zo brak met de middeleeuwse benadering van de fysica die elke experimentele controle negeerde. Daardoor ging men in de middeleeuwen totaal de mist in en soms, anderzijds zonder het beseffen, kwam men verbaal zeer dicht bij de juiste theorie. Maar dan fantaseerde men weer verder en ging men terug de mist in. Galileo formuleerde ook als eerste de eerste wet van Newton. Dat wil zeggen: Newton nam de bewering van Galileo aan als zijn eerste axioma.
Vriendelijke groeten
em. prof. dr. Karel J. Van Camp
(Universiteit Antwerpen en Universiteit Gent)
Dirk Van Dyck
Beste Karel
Beste redactie van Eos
Ik ben het volledig eens met Karel dat onze vier grootste fysici Galileo, Newton, Maxwell en Einstein zijn. Ik voeg daar zelf nog Dirac en Feynman aan toe.
In de cursus theoretische mechanica die ik 25 jaar gedoceerd heb aan de studenten fysica, heb ik uitgelegd waarom dat zo is. Voor een student fysica is het minstens even belangrijk om naast de wetten die op hun naam staan ook uit te leggen waarom en hoe ze aan hun wetten gekomen zijn. De student moet kritisch moet kunnen omgaan met kennis en die desgevallend ook kunnen verleggen.
Maar genialiteit is niet voldoende. Ook de omstandigheden moeten daarvoor optimaal zijn. Ik zie daarvoor verschillende drijfveren.
Het belang van de waarneming
Sedert de verlichting is men vooral door het werk van Galilei, Bacon, Descartes gaan inzien dat eigenlijk alleen de waarneming belangrijk was voor de vooruitgang van de wetenschap. Dat betekende ook dat men afstand moest nemen van het denken als bron van absolute waarheid en dus ook van de Griekse filosofen zoals Aristoteles.
Noot: Galilei was niet de eerste met het onderzoek van de valbeweging. Simon Stevin had die experimenten ook al twee jaar eerder gedaan van op de kerktoren van Delft en zijn resultaten ook gepubliceerd in het Nederlands net zoals zijn metingen van de hydrostatica jaren voor Blaise Pascal.
De economische en maatschappelijke drijfveer
De beweging van planeten was al van oudsher belangrijk omdat dat een teken was van de goden. En voor Tycho Brahe en zijn opvolger Johannes Kepler was dat zelfs economisch belangrijk, omdat ze voor broodheer Keizer Rudolf in Praag horoscopen moesten trekken, dus voorspellen wanneer een planeet ergens in een sterrenbeeld zou terecht komen. Dus probeerde Kepler de baan van de planeten empirisch te beschrijven met simpele formules die hem toelieten te extrapoleren. En hij beschikte daarvoor over de zeer nauwkeurige metingen van Tycho Brahe, die daarvoor nieuwe instrumenten had ontwikkeld.
Ook de competitie naar nauwkeurigere klokken ten gevolge van de transoceanische zeereizen was een belangrijke drijfveer voor de mechanica (een minuut verschil betekende een afstand van meer dan 100 km). Ook Christiaan Huygens heeft meerdere verbeteringen aangebracht. Later was het de industriële revolutie (de stoommachine) die de drijfveer was voor de thermodynamica en de elektriciteit voor het werk van Faraday en Maxwell.
Het belang van nieuwe instrumenten en verbeterde waarnemingen
Naast de nieuwe instrumenten van Tycho Brahe was de vooruitgang in de astrofysica vooral mogelijk door de nieuwe telescoop, een uitvinding van de Nederlander Zacharias Jansen (Galilei gebruikte hem als eerste gebruikte, en wilde hem zelfs niet uitlenen aan Kepler). Het werk van Maxwell was gebaseerd op de massa’s experimenten van Faraday, en de beperkte relativiteitstheorie van Einstein (1905) was gebaseerd op de verfijnde experimenten van Michelson-Morley van 1887 die gebruik maakten van de nieuwe interferometer van Michelson. Die kreeg de Nobelprijs niet voor het experiment maar voor het toestel dat toeliet de standaardmeter te meten.
De rol van de wiskunde
Plato was de eerste die zich realiseerde dat de natuur zich laat beschrijven met getallen. En zowel Newton als Maxwell en Einstein hadden nieuwe wiskunde nodig om hun wetmatigheden te beschrijven. Eigenlijk kon men met de empirische wetten van Kepler al de planetenbanen beschrijven.
Maar de wetten van Newton waren veel compacter en universeler. Dus eigenlijk is hun werk het gevolg van een drang om de experimentele resultaten zo compact mogelijk samen te vatten (dus het principe van Occam). En zij hadden ontdekt dat er in de experimentele waarnemingen nog een onderlinge wiskundige structuur aanwezig was. Dus is deze vorm van wiskunde een ontdekking en geen uitvinding.
De kracht van die nieuwe wiskunde maakte dat men ook voorspellingen kon doen. Zo voorspelde Maxwell de elektromagnetische golven (de experimentele bevestiging heeft hij niet meer mogen meemaken). Ook Dirac geloofde niet in een ‘ugly theory’ en de drang naar eenvoud leverde hem vergelijking op voor relativistische quantummechanica waarmee men spin en antideeltjes kon voorspellen.
Maar de snarentheorie waarop de theoretische fysici vandaag intensief werken als mogelijke beschrijving van quantumgravitatie heeft nog geen experimentele bevestiging. Noot: De algemene relativiteitstheorie van Einstein van 1911 is niet gebaseerd op waarnemingen. Die kwamen pas later in 1919.
Boekdrukkunst
Het belang van de boekdrukkunst wordt onderschat. Immers met boeken en het Latijn als universele taal konden wetenschappers zeer snel hun bevindingen uitwisselen (bijvoorbeeld correspondentie tussen Galilei en Kepler).
En door de opkomst van het protestantisme verloor de kerk ook haar monopolie op de inhoud van de boeken. In de Islam daarentegen slaagde men er wel in om gedrukte boeken honderden jaren te verbieden en dus hun wetenschappelijke voorsprong die ze in de middeleeuwen hadden op het westen volledig te verliezen.
Serendipiteit
Dikwijls is de vooruitgang in de wetenschappen de danken aan opmerkzaamheid van wetenschappers om kleine onverwachte afwijkingen op te merken en de koppigheid om die te begrijpen. Er zijn massa’s voorbeelden te noemen. Die vrijheid hebben onze wetenschappers vandaag niet meer. Ze worden afgerekend op het aantal publicaties en citaties.
Vriendelijke groeten
em. prof. dr. Dirk Van Dyck (Universiteit Antwerpen)
