Hoofdstuk 2: Fysica aan het einde van de 19de eeuw

Fysica vóór 1900

Een fysicus van rond 1890 kan best tevreden zijn: De mechanica staat zo goed als op punt. In principe kan alles wat met massa en beweging te maken heeft heel precies berekend worden. De banen van kometen en planeren, van kanonskogels en van biljartballen, de frequentie van een trillende snaar, zijn allemaal berekenbaar met de mechanica van die tijd.

Isaac Newton

Isaac Newton

De grondslagen daarvoor had Isaac Newton 200 jaar eerder gelegd. Hij was er na meer dan 2000 jaar gesukkel in geslaagd een verband te definiëren tussen kracht en beweging, en had er ook een formule voor. Hij formuleerde de wet van de universele gravitatie of zwaartekracht, waardoor o.a. appels van bomen vallen en de maan rondom de aarde draait. Kortom, Newton legde basis voor een heel nieuwe fysica. Hiervoor had hij een heel nieuwe wiskunde nodig die bijna tezelfdertijd door hemzelf en een ander (Duits) genie, Gottfried Leibniz, werd ontwikkeld.

Deze wiskunde bleek voor de fysica een ongelooflijk belangrijk en zelfs onmisbaar hulpmiddel te zijn Na Newton werd fysica zonder wiskunde zo goed als onmogelijk.

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell

Tweehonderd jaar na Newton, gebruikte James Clerk Maxwell dezelfde wiskundige formules voor zijn theorie van het elektromagnetisme, waarmee de wisselwerking tussen elektriciteit en magnetisme wordt beschreven.

Elektriciteit en magnetisme zijn nauw met elkaar verbonden. Een bewegende magneet kan een elektrische stroom opwekken (zoals in een fietsdynamo), en een elektrische stroom kan een magnetisch veld veroorzaken.

Maxwell kon aantonen dat elektriciteit en magnetisme twee kanten zijn van dezelfde medaille. Door hun wisselwerking zouden namelijk elektromagnetische golven ontstaan. Deze golven werden in 1886 inderdaad ontdekt, door Heinrich Hertz. Radiogolven zijn een voorbeeld van dergelijke golven.

Elektromagnetische golven bewegen zich met dezelfde snelheid als licht voort. Daarom vermoedde Maxwell dat ook licht een elektromagnetische golf is.

Licht in de 19e eeuw

Fig. Traité de la lumière (Verhandeling over het licht) van Christiaan Huygens uit 1690 waarin hij breking en weerkaatsing van licht met zijn golftheorie verklaart.

‘Traité de la lumière’ van Christiaan Huygens uit 1690 waarin hij breking en weerkaatsing van licht met zijn golftheorie verklaart.

In de 17de eeuw werd er hevig gediscussieerd over de aard van licht. Bestaat het uit deeltjes of uit golven? Christiaan Huygens, een Nederlands natuurkundige, wist de weerkaatsing en breking van licht te verklaren door licht als een golf te beschouwen.

Newton kon aantonen dat zonlicht door een prisma kan worden opgesplitst in een spectrum van verschillende kleuren. Hij overtroefde de golftheorie van Huygens door te laten zien hoe dit spectrum met deeltjes kon worden verklaard.

Fig. Newtons beroemde experiment uit 1655 waarin hij zonlicht door een prisma splitst in de gekleurde componenten ervan.

Newtons beroemde experiment uit 1655 waarin hij zonlicht door een prisma splitst in de gekleurde componenten ervan.

Newton was na 1700 een veel grotere autoriteit dan Huygens, en zijn theorie leek aantrekkelijker in een tijd waarin alleen natuurverschijnselen met deeltjes moesten worden verklaard. Zijn lichttheorie werd algemeen aanvaard.

Fig. Thomas Young, 1773-1829

Thomas Young, 1773-1829

In 1801 doet Thomas Young zijn nu beroemde interferentie-experiment met licht, waaruit hij besluit dat licht een golfverschijnsel is. Maar het duurt toch nog tot na 1850 vooraleer deze opvatting algemeen ingang vindt. De theorie van Maxwell leverde bovendien een sterke ondersteuning voor de golftheorie zodat er na 1870 geen twijfel meer over bestond.

Fig. Interferentie treedt op waar twee golven met dezelfde golflengte op één plaats samenkomen. Soms versterken ze elkaar: ze zijn dan in fase. Soms ‘verzwakken’ ze elkaar. Ze zijn dan uit fase.

Interferentie treedt op waar twee golven met dezelfde golflengte op één plaats samenkomen. Soms versterken ze elkaar: ze zijn dan in fase. Soms ‘verzwakken’ ze elkaar. Ze zijn dan uit fase.

Het eerste elementaire deeltje
De vacuumbuis met behulp waarvan
Thomson in 1897 het elektron ontdekte in
het museum van het Cavendish lab aan de
universiteit van Cambridge, UK

In 1897 doet Joseph John Thomson een ophefmakende ontdekking. Hij stelt vast dat hij deeltjes los kan maken uit atomen.

In een vacuümbuis legt hij een spanning van ca. 10 000 Volt aan tussen twee metalen plaatjes. Er ontstaat een straling, die een lichtvlek vormt op het scherm aan het einde van de buis.

Een beetje later worden deze deeltjes elektronen genoemd. Ze hebben een elektrisch negatieve lading want ze worden door een elektrisch geladen plaat afgebogen. Ze hebben ook een massa die men kan aantonen door een elektronenstroom onder invloed van een kracht van een elektrisch of magnetisch veld  te doen afbuigen en een baan laten beschrijven, net zoals een kanonskogel onder invloed van de zwaartekracht.

Een atoom is dus niet ondeelbaar zoals men tot dan toe altijd gedacht had. Thomson denkt zelfs dat de massa van een atoom voor het grootste gedeelte van de elektronen komt.

Determinisme
Pierre-Simon Laplace, 149-1827. Frans wiskundige en astronoom.

Pierre-Simon Laplace, 1749-1827. Frans wiskundige en astronoom.

De wetenschap van de 19e eeuw is zeer deterministisch. Toeval bestaat eigenlijk niet. Indien je de beginvoorwaarden van een probleem kent, kan je ook de precieze gevolgen hiervan met zekerheid berekenen.

“Als we alle krachten in de natuur kennen op een bepaald ogenblik, en de positie van alle dingen, dan kunnen we de beweging van alle materie berekenen. Niks zou onzeker zijn en we zouden de toekomst zoals het verleden voor ons zien”, schrijft Simon de la Place in 1814.

De kwantummechanica zal dit determinisme een flink klap toebrengen.

Volgens het 19de eeuwse determinisme is de toekomst perfect te voorspellen als we het heden perfect kennen.
De samenleving eind 1800

Ook in de samenleving kent iedereen zijn plaats. We leven in de zogenaamde Victoriaanse tijd die gekenmerkt wordt door strenge regels die de omgang tussen de sociale klassen en tussen mannen en vrouwen regelt. Het is de glorietijd van de mannelijke burgerij die zichzelf zelfgenoegzaam beschouwt als model voor de hele wereld. Niet-westerse culturen worden als minderwaardig beschouwd: ze moeten geciviliseerd worden. Vrouwen zijn niet geschikt voor hoger onderwijs of voor verantwoordelijke functies in de samenleving.

Weinigen denken dat zeer grote veranderingen zich aankondigen. Alles is goed geregeld en dat moet ook zo blijven. Voor velen is dat in de fysica ook zo. Zij denken dat  de fysica zo goed als af is. Zo schrijft Albert Michelson, een Amerikaans fysicus aan het eind van de 19de eeuw:

De belangrijkste wetten van de fysica zijn bekend. Het is zeer onwaarschijnlijk dat ze door nieuwe zullen worden vervangen. Albert Michelson

Test je kennis met de quiz

Experimenteer zelf!

1. Bepaal met een laserpointer, d.m.v. diffractie (zie Young), de afstand tussen de groeven van een CD. Maak een zorgvuldige tekening van uw schema met aanduiding van de afstanden tussen de verschillende elementen en noteer je referenties.

2. Herneem de proef van Hertz met eigen apparatuur (bijvoorbeeld met een gasaansteker).

3. Noem minstens 5 beroemde natuurkundigen die tussen 1880 en 1940 professor waren aan het Cavendish Laboratory. Wie werd Nobellaureaat en waarom?

4. Wie is de man die in 1897 het bestaan bloot legt van hele kleine en geladen deeltjes, waarvan hij veronderstelt dat die deeltjes zich in suspensie vinden in positieve materie – net zoals krenten in een pudding? Hoe heeft die man voor die zeer kleine en geladen deeltjes de verhouding van de lading op de massa bepaald?