 |
| |
Ontwikkelingen 1e helft 20e eeuw.
Aan
het einde van de 19e eeuw geloofde men dus in een machtig wetenschappelijk bouwwerk
waarmee de toen bekende eigenschappen van de natuur konden worden beschreven.
Ondanks die zekerheid ontstonden er twijfels. Het bleek bijvoorbeeld onmogelijk
om het experimentele spectrum (verdeling over de golflengten) van een (warmte)
stralend lichaam te beschrijven, tenzij je aanneemt dat die straling bestaat uit
discrete pakketjes met een bepaalde energie-inhoud. De pakketjes moeten meer energie
bevatten naarmate de golflengte korter is, dus de frequentie van de straling hoger
is (energie per pakketje is hv, waarbij v de frequentie is en h een constante
die uit de gemeten waarden votgt). Max PLanck publiceerde dat (contra intuitieve)
voorstel in 1900, echter zonder verklaring; voor de waarde van de constante h
was (en is) geen afleiding mogelijk. Er haperde iets in het wetenschappelijke
bouwwerk.
Geluid gaat als golf in de atmosfeer sneller in de richting
van de wind dan er tegenin. Dat zou, volgens de toen geldende inzichten, ook moeten
gelden voor licht, dat met de ether meebeweegt. Omdat de aarde door de "stilstaande"
ether beweegt rond de zon zou het licht, dat op de aarde wordt opgewekt, in de
richting van de beweging van de aarde langzamer moeten gaan (tegen de ether in)
dan loodrecht daarop. Michelson en Morely probeerden dat in 1887 aan te tonen
en de uitkomst was negatief: het licht gaat altijd met dezelfde snelheid.
Er moest dus iets fundamenteels gebeuren met de wetenschappelijke modellen. In
beide gevallen sprak Einstein in 1905 het verlossende woord door de resultaten
van de metingen te accepteren (zonder ze te verklaren). Wat de lichtvoortplanting
betreft accepteerde hij dat de snelheid van het licht in vacuum een natuurconstante
is, onafhankelijk van de snelheid van de waarnemer en/of de bron. De aanname van
de ether bleek dus overbodig. De constante lichtsnelheid gaf aanleiding tot de
Speciale Relativiteitstheorie met als beroemd resultaat dat massa en energie equivalent
zijn (E = me).
Bij de interpretatie van het foto-elektrische effect (de emissie
van elektronen uit een metalen trefplaat, die beschoten wordt door een lichtbundel)
nam Einstein in navolging van Planck aan, dat de lichtbundel bestaat uit discrete
pakketjes met energie-inhoud hv. Als hv (dus de frequentie van het licht) hoog
genoeg is worden elektronen uit de metalen trefplaat losgemaakt. Men kan licht
dus beschouwen of als een elektromagnetische golf of als een bundel fotonen, zoals
de energiepakketjes hv in het vervolg werden genoemd, afhankelijk van het experiment.
De klassieke natuurkunde levert voor deze contraintuitieve aannames betreffende
het duale gedrag van licht geen aanknopingspunten. Louis de Broglie toonde later
aan dat een bundel elektronen ook weer als een golf, met bijbehorende interferentiepatronen,
mag worden gezien. Hoe sneller de elektronen zich voortbewegen, des te hoger de
frequentie van de equivalente golf (en dus hoe korter de golflengte) Deze duale
golf/deeltjes situatie, die voor alle elementaire deeltjes geldt, wordt natuurlijk
door de klassieke natuurkunde met zijn geloof in causaliteit niet ondersteund.
Een nieuwe natuurkunde kondigde zich aan.
Toen men rond de eeuwwisseling moleculen
en atomen ging bestuderen aan de hand van het uitgezonden lichtspectrum, stuitten
de natuurkundigen al gauw op nieuwe problemen. De moleculen en/of
Fig. 3. Spectra van bekende atomen.
atomen bleken alleen licht van
zeer bepaalde energieen hv (frequenties, "kleuren") uit te zenden, zie
Fig. 3, wat alleen kon worden geinterpreteerd met het bestaan van discrete energietoestanden
van atomen en moleculen. Atomen bestaan uit een positieve kern van protonen en
neutronen met daaromheen cirkelende negatief geladen elektronen die de totale
positieve elektrische lading van de protonen in de kern compenseren (neutronen
hebben geen lading, ze zijn neutraal). Het geheel lijkt dus op een klein planetenstelsel,
.waarbij de elektronen de "planeten" zijn en de kern de "zon".
Maar waarom vallen die elektronen niet door de elektrische aantrekkingskracht
op de kern? Een eerste (voorlopig) antwoord kwam met het waterstofmodel van Niels
Bohr. Hij postuleerde dat het elektron precies zo snel rond de kern cirkelen dat
een geheel aantal van hun equivalente golflengtes op hun omloopbaan passen. Er
zijn dus alleen banen met concrete energieen mogelijk. Als een elektron vanuit
een baan met hogere energie naar een baan met lagere energie valt wordt het energieverschil
omgezet in een foton met die energie (kleur). Dit verklaart het waterstofspectrum
in Fig. 3.
INTERMEZZO: Een spin als ordenend principe?
Ho stop, zult U
zeggen, waarom vallen bij zwaardere kemen niet alle elektronen direct in de baan
met de laagste energie? Het antwoord is verrassend: de elektronen hebben evenals
alle anden; elementaire deeltjes, nog een eigenschap, die geen parallel heeft
in de klassieke natuurfcunde. Die eigenschap heet "spin", omdat oorspronkelijk
werd gedacht dat het elekfron als een tol snel rond zijn as ronddraaide (spinning
top). De meedraaiende lading gedraagt zich dan als een kringstroompje, dat een
magnetisch moment veroorzaakt. Vreemd genoeg kan het ontstane magneetveld maar
twee iichtingen" hebben: "up" en "down". Alweer iets
dat we niet begrijpen, maar op gezag van experimenten moeten aannemen. In een
bepaalde energietcestand (omloopbaan) mogen maar twee elektronen met tegengestelde
spin voorkomen (Pauli verbod). Als er dan meer elektronen zijn moeten die zich
in hogere energie tcestanden ("banen') bevinden. Als de eigenschap spin"
niet had bestaan, was de chemische opbouw van de materie niet mogelijk geweest,
want die hangt af van de bezetting van de hoogste energiefoestanden (buitenste
banen).
We hebben dus hier een fundamenteel ordenend principe gevonden.
De protonen van de wateistof atomen (H) in een water molecuul (H20) hebben ook
de eigenschap spin". Die eigenschap wordt gebnrikt by kemspinresonantie,
het principe waarop de medische toepassing van beeldvomting op basis van magnetische
resonantie (MRI) berust, zie [2], eerste hoofdstuk.
Einde Intermezzo.
Uiteindelijk leidde het bestaan van de discrete energietoestanden tot de ontwikkeling
van de kwantummechanica (kwantum = discrete hoeveelheid) in de jaren 20 van de
20e eeuw (Bohr, Schrbdinger, Heisenberg, Pauli). Een belangrijke conclusie daarvan
is dat de snelheid en de plaats van elementaire deeltjes principieel niet gelijktijdig
door een waarnemer nauwkeurig kunnen worden bepaald (onbepaaldheidrelaties van
Heisenberg). Het boven beschouwde atoommodel van Bohr werd in de kwantummechanica
volledig herzien, maar dat !igt buiten de scope van dit opstel.
Verder bleek,
dat er geen objectieve werkelijkheid buiten de waarnemer om kan worden vastgesteld.
Door te meten wordt het beschouwde object bemvloedy. De toestand waarin een te
meten systeem voor een meting verkeert, is een willekeurig mengsel (superpositie)
van alle mogelijke toestanden van dat systeem. Door te meten wordt daar een niet
te voorspellen exemplaar van uitgekozen. Weg causaliteit, weg determinisme en
weg zekerheid! Onze ervaringen gebaseerd op de ervaringen in de macroscopische
wereld (intuTtie) helpen niet meer bij het bestuderen van (sub)atomaire systemen.
Men moest voortaan zijn toevlucht nemen tot statistische beschouwingen en berekeningen
van waarschijnlijke waarden. Einstein, die zelf aan de wieg van deze moderne ideeen
stond, had hier moeite mee en protesteerde nog met de uitspraak "God gokt
niet". Maar uiteindelijk moest deze onzekerheid in de natuurkunde, na een
lange controverse gedurende de 20e eeuw, geaccepteerd worden en vonden op basis
daarvan indrukwekkende technologische ontwikkelingen plaats, die ook nu nog onverminderd
doorgaan.
De nieuwe kwantumtheorie leidde tot een lawine aan nieuwe inzichten
in de eigenschappen en de bouwstenen van de materie [3], de krachten die op de
materie werken, de chemische bindingen in de scheikunde, de elektronica, de biologie,
en zelfs in het leven. Dit voert ons ver weg van het determinisme van de eerdere
periode en hierdoor werd, voor een aantal mensen, een persoonlijke God als bestuurder
van het "AI" minder zichtbaar. Het lijkt wel of alles in principe kan
worden "begrepen" zonder Schepper of Scheppingsmacht. Maar clan vergeten
we de niet-intuitieve aannames die, geent op experimenten, aan de basis van de
moderne natuurkundige theorieen staan. We kennen de veelheid van mogelijkheden
(attributen) van de Scheppingsmacht niet.
Tien jaar na de Speciale Relativiteitstheorie
presenteerde Einstein de Algemene Relativiteitstheorie, waarin zwaartekracht (gravitatie)
en versnelling equivalent blijken. Deze theorie speelt een grote rol en draagt
bij aan ons inzicht in bepaalde in het universum waar te nemen verschijnselen,
zoals de oerknal, zwarte gaten, kromming van de ruimte door aanwezige massa en
energie als de oorzaak van de zwaartekracht, enz. in het heelal [4]. Samen met
de kwantummechanica brengen deze bevindingen compleet nieuwe inzichten in de ontwikkeling
van het heelal voort, maar maken ook principiele grenzen aan onze kennis zichtbaar.
Vanaf het ontstaan van het heelal, de oerknal, kunnen nu de ontwikkelingen worden
gevolgd en aan de hand van onze onvolmaakte fysische modellen "zonder God"
worden "verklaard". In het boek "The First Three Minutes",
door S. Weinberg, wordt de geschiedenis van het heelal beschreven [5]. Maar helaas
zijn onze bevindingen geent op kennis van de ons bekende materie. De uitbreidingssnelheid
Fig. 4. De ontwikkeling
van het heelal na de Oerknal.
van het heelal voorspelt echter 25 maal
zoveel materie. We noemen die materie, die ook als energie kan voorkomen "donkere
materie" en "donkere energie", omdat we ze niet kunnen waarnemen,
behalve misschien dat het licht van erachter liggende sterren wordt afgebogen.
Zijn er dan ook niet voor ons verborgen interacties tussen donkere en meetbare
materie?
Helaas leidde de modeme fysica ook tot de ontwikkeling van de kernbom
en mede hierdoor tot vragen als: "En waar is God in al deze onfwikkelingen?"
En als Hij een persoonlijke God is, die ons geschapen heeft waarom wordt dan die
alles en alien bedreigende toepassing van kernwapens toegelaten? Of is God dood,
zoals de Engelse bisschop Robinson zich evenals de filosoof Nietrsche afvroeg,
De natuurkundigen bteven zoeken naar een overkoepelende theorie voor alle wisselwerkingen
in de natuur, die naast de al door Newton beschreven zwaartekracht, ook de elektromagnetische
kracht en de sterke en zwakke kernkrachten, die de bouw en het radioactieve verval
van atoomkernen beschrijven (de "Grand Unifying Theory" genaamd [6]),
kan omvatten. Pogingen om dat te bereiken via de snaartheorie (waarin de elementaire
deeltjes worden gezien als zeer kortey" snaartjes, die trillen in een 11-dimensionale
ruimte) hebben nog geen soelaas geboden [7]. Elke vooruitgang in de richting van
de overkoepelende theorie blijkt echter weer nieuwe vragen en antwoorden op te
roepen en het geloof in een uiteindelijke succesvolle afronding schuift steeds
voor ons uit. Zou zo'n theorie bestaan, dan zou dat voor sommigen weer tot een
"deterministisch" wereldbeeld leiden.
Maar stel dat zo'n theorie
er zou zijn, is dan alles weer voorspelbaar? "In wiens handen ligt dan ons
lot (Our faith in who's hands?), als de Grand Unifying Theory ooit zal zijn gevonden?",
luidde de vraag in een opstel van Stephen Hawking. Alles zou dan in principe voorspelbaar
zijn (determinisme) en dus ligt de toekomst vast. Maar hoe kan dan een eigen vrije
wil bestaan? Wat kunnen wij dan nog bijdragen aan de schepping? Op welk niveau
grijpt God in in de schepping?
Die vraag "Hoe grijpt God in zijn schepping
in" werd ook brandend in verband met de verschrikkelijke oorlogen die de
20e eeuw heeft gekend. Hoe kan een scheppende God zijn eigen schepping laten verwoesten.
Hij is toch een liefdevolle God? In Nederland werd die vraag weer brandend na
de stormvloed in 1953. Hoe kon juist het kerkelijke Zeeland zo worden "gestraft".
Maar, nogmaals, hoe kan in dit licht een vrije wil bestaan?
MN: Een
Zoektocht naar God.
| | |
LITURGIE
&CETERA 
