|
| |
| |
| |
Het zeeman-verschijnsel.
De omstandigheid, dat de Nobel-prijs in Natuurkunde voor het jaar 1902 is toegekend geworden aan twee Nederlanders, heeft algemeen in ons land blijde verrassing gewekt. In zoover is deze blijde verrassing een heugelijk verschijnsel als het toont dat ons nationaalgevoel nog levendig is en niet verslapt tot een weekelijk cosmopolitisme. Maar dat die verrassing zoo groot is, dat daaruit spreekt de onbekendheid met het hooge standpunt, dat de beoefening der natuurkunde in ons land in de laatste tientallen jaren heeft ingenomen, en dat allerwege de vraag vernomen wordt, waarin het verschijnsel door Zeeman ontdekt en door Lorentz verklaard, toch eigenlijk bestaat, toont toch, dat er iets hapert aan de voorlichting welke ons volk ontvangt, omtrent alles wat er op godsdienstig, geestelijk en wetenschappelijk gebied voor merkwaardigs in zijn midden geschiedt. Onze dagbladen wijden lange kolommen aan tal van onderwerpen, en houden ons volk op de hoogte van de verschillende stroomingen op staatkundig en sociaal gebied. Omtrent kunst vernemen wij ten minste het een en ander - van sport vernemen wij veel. Maar van wetenschap vernemen wij niets - of zoo daaromtrent iets wordt medegedeeld is het gewoonlijk van dien aard, dat wij zouden willen toepassen: spreken moge zilver zijn, maar zwijgen is goud. En toch het Zeeman-verschijnsel is medegedeeld en meermalen besproken geworden in een openbare vergadering van de Koninklijke Akademie van wetenschappen. Het is trouwens een oude klacht, dat het belangrijkste dikwijls het meest onbekend is, en wij zouden ook
| |
| |
hier kunnen herhalen het woord van Paulus in zijn rede voor Herodes, als wij dit namelijk zonder ontwijding van dat woord doen kunnen: ‘dat is in geenen hoek geschied.’
Toen dan ook door de redactie van De Gids mij de vraag werd voorgelegd: ‘Acht gij de uiteenzetting van de beteekenis van het Zeeman-verschijnsel voor een publiek van ontwikkelde leeken mogelijk?’ heb ik die vraag zelve met ingenomenheid begroet. Maar tegelijkertijd heb ik gemeend dat op die vraag niet een op goeden grond rustend antwoord à priori mogelijk was. Zoolang wij niet weten wat een ontwikkelde leek van het tegenwoordig standpunt onzer natuurbeschouwing kent - en waaruit zouden wij dit weten bij het bijna volslagen gemis aan voorlichting? - is deze vraag niet te beantwoorden. Ik heb echter willen beproeven in hoever dit mogelijk zou zijn; de beslissing of dit artikel voor ontwikkelde leeken geschikt is, heb ik evenwel aan het oordeel van de Gids-redactie overgelaten. Uit den aard der zaak heb ik een in bijzonderheden afdalende beschrijving van het Zeeman-verschijnsel niet kunnen geven, zooals slechts op hare plaats zou zijn, als dit artikel bestemd was voor natuurkundigen. Een korte beschrijving zal echter noodzakelijk zijn - zonder dat zou het onmogelijk wezen de beteekenis voor onze natuurbeschouwing aan te wijzen.
Om te kunnen begrijpen waarin het Zeeman-verschijnsel bestaat, zal men iets moeten weten van spectraal-analyse, en wat men daarvan weten moet, zal ik in korte trekken uiteenzetten. De analogie, welke tusschen de lichtverschijnsels en die van geluid bestaat, zal ons hierbij van nut kunnen zijn. Een geluidgevend lichaam verkeert in trillende beweging - evenzoo een lichtbron. Maar terwijl bij het geluid de gewone materie in trilling verkeert, hetzij de lucht in een orgelpijp, hetzij de stof waaruit een vioolsnaar bestaat, verkeert in een lichtbron iets veel fijners dan de gewone stof in trilling. Wij zullen aan dat veel fijnere voorloopig geen naam geven. Van het aantal trillingen in één seconde hangt bij het geluid af de hoogte van den toon. Bij het licht hangt daarvan af de soort licht, welke bij genoegzaam verschil van het trillingsgetal zich door verschil in kleur openbaart. Maar terwijl bij het geluid het aantal trillingen per seconde tusschen enkele
| |
| |
tientallen en enkele tienduizendtallen begrepen is, klimt dat aantal bij het licht tot een verbazend groot getal en blijft daar tusschen 4 × 1014 en 8 × 1014 begrepen. Het eerstgenoemde getal 4 × 1014 geldt voor het uiterste roode licht, het tweede n.l. 8 × 1014 geldt voor violet licht. Wij kunnen dus zeggen dat de verhouding tusschen het aantal trillingen van die soorten van licht, welke het meest van elkander verschillen ten hoogste 2 bedraagt. Als bij het geluid een dergelijke verhouding tusschen het aantal trillingen van twee toonen voorkomt, noemen wij den hoogsten toon het octaaf van den laagsten. Bezigden wij dien naam van octaaf ook voor het licht, dan zouden wij het uiterste violette licht de octaaf kunnen noemen van het uiterste rood. Er bestaan bij het licht ook wel aantallen trillingen buiten de opgenoemde grenzen. Maar de inrichting van ons oog is zoodanig dat wij die niet meer waarnemen kunnen.
Een geluidgevend lichaam deelt zijn trillingstoestand mede aan de middenstof, waarin het geplaatst is. Zoo wordt door een geluidgevende orgelpijp de omringende lucht mede in trilling getracht. Zij zendt dus geluid uit, dat zich met een voor alle tonen evengroote snelheid voortplant. Deze snelheid van het geluid in de lucht bedraagt ruim 330 M. Evenzoo blijft ook de trillende beweging van een lichtbron niet tot die bron beperkt, maar deze deelt zich mede aan de algemeene middenstof, welke het gansche heelal vult, zich daarin voortplantende met een voor alle lichtsoorten evengroote snelheid, welke circa millioen maal grooter is dan de snelheid van het geluid in de lucht en dus 3 × 1010 c.M. groot is. De trillende beweging van de gewone stof plant zich dus voort in de gewone stof. De trillende beweging, welke in ons oog opgevangen zich als licht openbaart, en waarbij in de bron iets veel fijners dan gewone stof beweegt, plant zich - maar daaromtrent kan eerst iets later in bijzonderheden getreden worden, - ook als een gelijksoortige beweging voort. Zal dit mogelijk zijn dan moet dus de geheele ruimte niet ledig maar gevuld zijn, en deze de geheele ruimte vullende materie, welke dan de drager moet zijn van dat veel fijnere dat bij de lichtbeweging vibreert, noemen wij ‘ether.’
Tot hiertoe hebben wij slechts analogieën opgemerkt tusschen licht en geluid. Maar nu moeten wij op een zeer groot ver- | |
| |
schil wijzen. Een geluidsbron brengt in den regel één enkele toon voort. Zoo geeft een snaar van de pianino bij het vallen van het hamertje één toon van zeer bepaalde hoogte. Wel is waar zijn eigenlijk meer tonen aanwezig, maar die zijn veel zwakker en liggen in de hoogere octaven. In elk geval kan men zich bij het geluid moeielijk een bron denken die tegelijkertijd een duizendtal verschillende tonen zou voortbrengen welke alle binnen de grenzen van één octaaf zouden begrepen zijn. En dat is bij het licht regel. Kiezen wij voor lichtbron de electrische vonk, welke tusschen twee knoppen van een dezelfde metaal overspringt, en waarbij deeltjes van dat metaal gloeiend weggeslingerd worden, dan blijkt het licht, dat die gloeiende metaaldeeltjes uitzenden niet één enkele lichtsoort te bevatten, maar eenige duizendtallen van lichtsoorten, wier trillingsgetallen onderling verschillen, maar zoo weinig dat de verhouding tusschen de uitersten nog ruim beneden 2 ligt. Geschiedde zoo iets bij het geluid dan zouden wij terugschrikken voor den wanklank, van zulk een chaos van tonen. Door de geheel andere inrichting van het oog is de totaalindruk harmonieus. De tint van het uitgezonden licht alleen is verschillend naarmate van het aantal en de kwaliteiten dezer lichtsoorten; en welke die soort ook zij, de indruk op ons oog is aangenaam. Van den aard der gloeiende stofdeeltjes, bijvoorbeeld of dit ijzer of koperdeeltjes zijn, hangt de samenstelling van het uitgezonden licht af - zoodat bij een bepaalde stof ook een bepaald aantal bepaalde lichtsoorten behoort.
Dat wij dit alles weten, en dat voor tal van lichtbronnen tot in de kleinste bijzonderheden het aantal en de kwaliteit der uitgezonden lichtsoorten bekend is, is te danken aan de hooge volkomenheid van de werktuigen, welke het samengestelde licht in zijn bestand deelen kunnen splitsen. Reeds in de natuur zelve komt een dergelijke ontleding van samengesteld licht voor bij het verschijnsel van den regenboog. Maar hoe indrukwekkend dit verschijnsel ook is, de ontleding van het licht is daarbij als ontleding niet volkomen.
Als eerste hulpmiddel om samengesteld licht te ontleden, noemen wij een prisma van een doorschijnende stof. Laat men een smallen bundel lichtstralen van één soort op een der zijvlakken vallen, dan treedt uit het andere zijvlak weder
| |
| |
een smalle bundel, die echter niet de richting van den invallenden bundel voortzet, maar voortloopt in een richting, welke een hoek daarmede maakt. De grootte van dezen hoek is voor de verschillende lichtsoorten verschillend. Het uiterste rood wijkt het minste af van de oorspronkelijke richting - het uiterste violet het meest. Laat men een smallen bundel stralen van samengesteld licht op een der zijvlakken vallen, dan treden dus uit het andere zijvlak evenveel smalle bundels als er lichtsoorten in het samengestelde licht aanwezig waren, en alle volgens andere richtingen - zoodat dus in het uittredende licht de analyse volbracht is. Mochten de invallende bundels niet smal genoeg zijn, dan zijn de verschillende uittredende bundels niet geheel gescheiden en is de analyse niet volkomen. Daarom wordt, als de lichtbron zelf niet smal genoeg is, de lichtbron bedekt met een ondoorschijnend scherm, waarin een spleet is aangebracht evenwijdig aan de ribben van het prisma. Die verlichte spleet doet dan dienst als smalle lichtbron. Het lichtbeeld, dat nu kan opgevangen worden, hetzij op een scherm, hetzij op een lichtgevoelige plaat, of rechtstreeks door het òf ongewapende òf gewapende oog, bestaat uit een reeks van evenwijdige lichtlijnen, waarvan de plaats ten nauwste samenhangt met het trillingsgetal.
Een veel machtiger middel om samengesteld licht in zijn bestanddeelen te splitsen, bezitten wij in het Rowland'sche tralie. Laten wij een bundel lichtstralen vallen op een gepolijst oppervlak van een metaal, dan wordt die bundel teruggekaatst. Daar de wet van terugkaatsing voor alle lichtsoorten dezelfde is, zal bij een dergelijke terugkaatsing het samengestelde licht niet geanalyseerd worden. Alle teruggekaatste stralen volgen weder een onderling gelijken weg. Maar geheel anders is het verschijnsel, wanneer wij op de oppervlakte van dat metaal op gelijken afstand evenwijdige groeven hebben aangebracht, die zeer dicht bij elkander zijn, en op die gekraste oppervlakte een bundel stralen van samengesteld licht laten vallen. Zijn die groeven veel in aantal, dicht bij elkander aangebracht, en volkomen aan elkander gelijk, bijvoorbeeld als er 55000 op een breedte van 14 cM. zijn aangebracht, dan zal iedere lichtsoort volgens een bepaalde richting teruggekaatst worden, welke richting verschillend is, als het trillingsgetal en dus de soort licht verschilt. Is daaren- | |
| |
boven het stuk metaal, waarop de groeven zijn aangebracht, een deel van een hollen bol, bijvoorbeeld met een straal van 6,5 Meter, dan verkrijgt men een lijnenbeeld, waarin werkelijk alle stralen, die van een zelfde soort zijn, als scherp begrensde lijnen zijn afgeteekend. In dat geval kan men ook door een zeer eenvoudigen regel uit de plaats van de lijn tot het trillingsgetal besluiten. Een nog machtiger middel, de echelon-spectroscoop, die echter bij het gebruik bezwaren medebrengt, zal ik slechts met naam vermelden.
Waarin bestaat nu het verschijnsel door Zeeman ontdekt? Het kan nu in weinig woorden worden medegedeeld. Denk, dat men de lichtbron plaatst in een magnetisch veld, wat men volvoeren kan door bijvoorbeeld rechts van de lichtbron een sterke noordpool, en links een sterke zuidpool van een magneet te doen ontstaan, dan worden de hier boven beschreven lichtlijnen gesplitst in drie lijnen. Een derde gedeelte van het licht, dat zulk een lichtlijn vormt, blijft onveranderd, en behoudt zijn vroegeren stand, een ander derde gedeelte verkrijgt een iets grooter trillingsgetal en teekent dus een lijn af die een weinig verschoven is naar de zijde van het violet, en het laatste derde gedeelte verkrijgt een iets kleiner trillingsgetal en levert een lichtlijn die naar den kant van het rood verschoven is. Hiermede is voorzeker niet alles gezegd; maar het zou misplaatst zijn in dit artikel in bijzonderheden te willen treden. Toch, al noem ik slechts pro memorie de omstandigheid dat niet alle lijnen gesplitst worden, en evenzoo de omstandigheid dat sommige lijnen in meer dan drie deelen gesplitst worden, er is één omstandigheid, die zoo belangrijk is dat zij behoort in het licht gesteld te worden. Om dat te kunnen doen, zullen wij beginnen met onze aandacht te vestigen op de lijn, die door de lichtbron van de zuidpool naar de noordpool loopt, en die men de magnetische krachtlijn noemt, en welke gewoonlijk een horizontale lijn zal zijn. In elk punt van de lichtbron hebben nu trillingen plaats; isoleeren wij in onze gedachte die van een bepaalden trillingstijd. De richting van die trillingen is nergens door vastgesteld en wisselt onophoudelijk af. Wij denken nog altijd dat de magneet nog niet is aangezet. Een trilling die in willekeurige richting geschiedt, kan gedacht worden te geschieden, zoowel voor een gedeelte in horizontale
| |
| |
richting, als voor een ander gedeelte in een vertikaal vlak. Nu wordt, als de magneet ontstaat, en zoolang het magnetisme duurt, het gedeelte der trilling dat volgens de krachtlijn plaatsgrijpt niet gewijzigd in trillingsduur, maar dat gedeelte, dat in het vertikale vlak vibreert ondergaat een verandering in vibratietijd, voor de helft een verlenging, en voor de andere helft een verkorting. Daaruit volgt dat de middelste, niet verschoven, lijn van het Zeeman'sche triplet door licht wordt voortgebracht dat vibreert in horizontale richting, terwijl het licht der verschoven lijnen in vertikale richting vibreert. Zulk licht, dat een bepaalde vibratierichting heeft, wordt gepolariseerd licht genoemd, en kan door bepaalde toestellen, analysators genoemd, gemakkelijk als zoodanig worden herkend.
Wij hebben dus bij een lichtbron, welke in een magnetisch veld is geplaatst, de bijzonderheid welke anders nooit voorkomt, dat reeds het uitgezonden licht gepolariseerd is.
Alvorens van de beschrijving van het Zeeman-verschijnsel af te stappen nog deze opmerking, Als wij een lichtbron, welke niet in een magnetisch veld is geplaatst, onderzoeken, dan vinden wij in alle richtingen om die bron heen dezelfde eigenschappen. Ook dit is niet meer waar, als de lichtbron in het magnetisch veld is geplaatst. Kiezen wij weder een bepaald punt van de lichtbron, en trekken wij door dat punt de magnetische krachtlijn. De magneetpolen beletten ons om volgens die richtingen het lichtpunt te zien, tenzij zij doorboord zijn, of ten minste een dezer polen doorboord is. Is dit laatste het geval, dan kunnen wij constateeren, dat het lichtpunt volgens die richting niet drie soorten van licht uitzendt, maar slechts twee. Het niet gewijzigde licht is volgens deze richting weggevallen. Maar daarenboven kan dan, met daartoe in de natuurkunde in gebruik zijnde middelen, bewezen worden dat de twee overblijvende lichtsoorten cirkelvormig gepolariseerd zijn. Wil men een eenvoudigen regel, volgens welken men vooruit bepalen kan, welk licht in elke willekeurige richting wordt uitgezonden, dan denke men in het vlak, loodrecht op de krachtlijn, twee zeer kleine cirkeltjes aangebracht, waarvan het middelpunt met het lichtpunt samenvalt. Men denke het eene cirkeltje doorloopen door dat fijnere, dat ik nog geen naam heb gegeven, volgens
| |
| |
de richting van de wijzers van een uurwerk, en het andere cirkeltje in de tegenovergestelde richting, zooveel malen in de seconde als de gewijzigde trillingsgetallen aangeven. Daarenboven trekke men volgens de krachtlijn een klein lijntje, dat dan loodrecht staat op de genoemde cirkeltjes, en denke dat volgens dat lijntje vibratie plaats heeft met het ongewijzigde trillingsgetal. Laat nu het oog ergens in de ruimte geplaatst zijn. Vraagt men nu hoe een daar geplaatst oog de genoemde cirkeltjes en het genoemde lijntje ziet, dan weet men welk licht in de richting naar dat oog toe zal uitgezonden worden. Plaatst het oog zich in de krachtlijn, dan ziet het de cirkeltjes in hun ware gedaante, en het lijntje ziet het als een punt, dus zonder afmeting. Bijgevolg in de richting der krachtlijn planten zich voort twee cirkelvormig gepolariseerde stralen en verder niets. Plaatst het oog zich in het vlak loodrecht op de krachtlijn, dan worden de genoemde cirkeltjes op hun kant, dus als lijntjes, gezien; terwijl het genoemde lijntje in zijn volle afmeting gezien wordt. Bijgevolg in een richting loodrecht op de krachtlijn planten zich drie rechtlijnig gepolariseerde lichtstralen voort. In elke andere plaats welke het oog kiest, ziet het de beide cirkeltjes als kleine ellipsen, en ziet het het genoemde lijntje in het verkort. In zulk een richting worden dan twee elliptisch gepolariseerde stralen uitgezonden, en een verzwakte rechtlijnig gepolariseerde straal.
Welnu, zal men zeggen, altemaal curieuse en merkwaardige verschijnselen, maar wat maakt nu het groote gewicht uit van deze ontdekking. Kan dat verschijnsel uit het oogpunt van belangrijkheid zelfs maar in de verte op één lijn gesteld worden, met die toepassingen van vroeger ontdekte verschijnselen, waarmede Edison's en Marconi's trachten aan de menschheid middelen van communicatie te verschaffen, die men vroeger naar het rijk der droomen zou hebben verwezen. In de wijze, waarop ik de vraag heb ingekleed, ligt het antwoord reeds opgesloten. De toepassing van een vroeger ontdekt verschijnsel moge gewichtig zijn, het ontdekken van een nieuw verschijnsel is voor den natuurkundige, en niet alleen voor hem, gewichtiger. Voor den natuurkundige is elk nieuw verschijnsel een middel om te onderzoeken of het inzicht, dat wij in het wezen der natuur hebben, juist is,
| |
| |
en in hoevèr dat inzicht uitbreiding en verbetering behoeft.
Dat de voorstelling, die wij op het oogenblik hebben, van het wezen van het licht en ook van het wezen der electriciteit en van het magnetisme in hoofdzaak juist is, is door het Zeeman-verschijnsel bewezen, daar de theorie Lorentz in staat heeft gesteld, de bijzonderheden welke wij hiervoor ontwikkeld hebben, te voorspellen, zoodra Zeeman het voorloopige feit had vastgesteld dat een magnetisch veld op den aard van het uitgezonden licht invloed uitoefent. En de maat en de hoegrootheid van deze verschijnselen, bijvoorbeeld de grootte der verschuiving van de lichtlijnen bij een bepaalde sterkte van het magnetisch veld, zooals die uit de metingen van Zeeman blijkt, heeft in staat gesteld de theorie uit te breiden, en vast te stellen hoe groot zekere in de theorie ingevoerde werkzame grootheden inderdaad zijn.
Om dit eenigszins met goed gevolg te kunnen aantoonen, zal het noodig zijn onze tegenwoordige voorstelling omtrent wat in de levenlooze natuur aanwezig is, en wat daarin plaatsgrijpt, zij het dan ook in ruwe omtrekken, te schetsen.
In de oudheid en in de middeleeuwen, in elk geval nog in den tijd van Descartes, en ook nog door Huygens, werd algemeen aangenomen dat behalve de gewone stof er nog iets anders in de stoffelijke natuur aanwezig is. In de taal van den tegenwoordigen tijd zou dit luiden, dat naast de ponderabele stof het heelal, zoovèr het zich moge uitstrekken, gevuld is met een onweegbare stof, die men ‘ether’ noemt. Descartes trachtte met behulp van eene onweegbare middenstof de beweging der hemellichamen te verklaren, en Huygens trachtte de voortplanting van het licht door de hemelruimte heen te verklaren door trillende beweging dezer onweegbare stof. De toenmalige verklaringen moesten of onvolledig zijn of geheel mislukken, omdat de hulpwetenschappen, wiskunde en mechanica, of onvoldoende ontwikkeld waren of geheel ontbraken.
De vraag, wat de gang der natuurkunde zou geweest zijn, als die hulpwetenschappen zich geleidelijk ontwikkeld hadden en er niet een omwenteling had plaatsgegrepen in de voorstelling omtrent den inhoud van het heelal, is evenmin te beantwoorden als de vraag hoe Europa zich op staatkundig, sociaal en godsdienstig gebied zou hebben ontwik- | |
| |
keld als de fransche revolutie niet had plaats gehad. Wat Heine zegt van de philosophie van Kant, als hij op de hem eigen wijze, waarbij men nooit weet of er ook eenige ernst in zijne cynische scherts gemengd is, beweert, dat de fransche revolutie slechts kinderspel is, vergeleken bij de omwenteling door Kant te voorschijn geroepen, kan, en misschien met veel meer grond, beweerd worden van het bedrijf van Newton. Kon een fransch revolutionair er in juichen, dat tronen waren weggewischt en altaren omvergeworpen, Newton deed meer dan dit; hij vaagde bijna den geheelen natuurinhoud weg. Het heelal was voor hem ledig; alleen de ponderabele stof liet hij bestaan. Maar aan die ponderabele stof, die zonnen en planeten, moest hij bovennatuurlijke krachten toekennen, zoodat hij zelfs aan die stofmassa's, die hij bestaan liet, het karakter van natuurkundig lichaam ontnemen moest. Aan elk van die stofmassa's moest hij het vermogen toekennen om op elk oogenblik niet alleen te weten hoeveel andere stofmassa's ergens in het heelal aanwezig waren, maar waar en op welken afstand zij zich bevonden, hoeveel stof zij bevatten, hoe die stof verdeeld was, om dan, nadat dat alles met volkomen nauwkeurigheid gemeten was, een kracht af te passen, zooals de Newton'sche wet van aantrekking die aangeeft. En dat alles zonder dat er iets tusschen die lichamen aanwezig was, en zonder dat er aan de nauwkeurigheid van de meting der afstanden, en der behoorlijke afpassing der kracht ook maar het geringste haperen zou.
Dat Newton zelf het ongerijmde van die onderstelling ten minste nu en dan heeft ingezien is zeker. Er zijn uitspraken van hem, waarbij hij de onbegrijpelijkheid er van volkomen scherp uitspreekt. Sommigen hebben dan ook gemeend, dat Newton alleen heeft willen zeggen, dat alles zich zoo gedraagt, alsof het heelal ledig was, en de aantrekking op afstand bestond. Anderen vatten echter die schijnbaar tegenstrijdige uitspraken van Newton als beide even ernstig gemeend op - en meenen dat Newton, als hij van onbegrijpelijkheid sprak, daarmede zeggen wilde dat er wel meer onomstootelijk waar is, al ligt het niet binnen den kring van de werkzaamheid van ons verstand. Zij meenen dat Newton daarmede de aantrekking, en dus volgens hem de geheele oorzaak van de verschijnselen der natuur, naar
| |
| |
het transcendente verwees. Dat het Newton ernst was met dat ledigverklaren van het heelal toont zijn verklaring van de wijze waarop ons licht toegezonden wordt. Volgens hem zouden door alle lichtgevende lichamen lichtkogeltjes uitgezonden worden, die zich met de snelheid van het licht door een geheel ledige ruimte bewegen zouden.
Maar wat Newton al of niet bedoeld heeft, is ten slotte niet een zaak van zooveel gewicht. Heeft hij niet letterlijk bedoeld, wat wij hem toegeschreven hebben - nu, het zou de eerste maal niet zijn, dat een omwenteling verder gaat, dan hij, die ze uitlokte, bedoelde. Wat de Newtonianen er van gemaakt hebben is voor ons van meer gewicht, want hun ideeën hebben misschien eeuwen lang in de natuurkunde geheerscht. En om hun meening te doen kennen zal ik aanhalen een uitspraak van Voltaire. Ik citeer uit een ouderwetsche vertaling van 1768, getiteld: Mengelwerken van, zooals hij door het geheele werk heet, den Heer de Voltaire. Deze uitspraak luidt: ‘Een Franschman die te Londen komt, vindt in de wijsbegeerte, zoowel als in 't overige vrij wat verandering. Hij heeft de wereld vol gelaten, en treft ze hier ledig aan. Te Parijs ziet men het heelal uit draaikolken en fijne stof saamgesteld; te Londen ziet men er niets van.’ Voor Londen zou men ook Nederland kunnen lezen, want Newton's leer heeft in ons land haar ijverigste voorstanders gevonden.
Het is opmerkelijk hoe volledig de leer van Newton ten slotte heeft gezegevierd, en hoe lang zij onbetwist haar invloed op onze natuurbeschouwing heeft behouden. Nog altijd zelfs is bij den ontwikkelde Newton het inbegrip van het hoogste gezag, dat men in de natuurkunde zou kunnen inroepen. En niemand onder de hedendaagsche natuurkundigen kan zich nog geheel van den gedachtengang vrij maken, waaraan wij door zijn invloed gewend zijn geraakt. Slechts schoorvoetend en met blijkbaren tegenzin is men teruggekeerd tot het herstel, zij het dan ook met gewijzigd inzicht, van het door Newton weggevaagde. Voor een groot deel moet dit worden toegeschreven aan het goede, dat mede het gevolg is geweest van Newton's optreden, maar dan ook voornamelijk voor verwante wetenschappen. Het ligt niet op mijn weg deze zijde van Newton's werkzaamheid nader in het licht te stellen.
| |
| |
Het trapswijze herstel van den natuurinhoud kunnen wij rekenen te zijn aangevangen in de eerste decenniën van de negentiende eeuw. Door Young en Fresnel werd aangetoond, dat Newton's voorstelling omtrent het wezen van het licht onhoudbaar is, en dat integendeel Huygens' voorstelling, dat het licht zich door trillingen voortplant, in staat is, rekenschap te geven van alle bijzonderheden, die zich bij die voortplanting voordoen. Vooral Fresnel heeft al zijn vernuft en al zijn werkkracht aangewend om bij het licht al die verschijnselen te verwezenlijken, welke het gevolg zijn van trillingen en van samenwerking van trillingen. En al zijn metingen geven geheel overeenstemmende waarde voor de trillingsaantallen van de verschillende lichtsoorten. Ook toonde hij dat deze undulatie-theorie van het licht rekenschap kon geven van de dubbele breking van het licht in kristallen, en leidde hij langs theoretischen weg voor de bepaling van den gang van de twee stralen die bij die dubbele breking optreden, een constructie af, welke reeds intuïtief door Huygens gegeven was. In één opzicht bleek Huygens' voorstelling van het wezen der lichtvoortplanting onjuist te zijn. Huygens had zich trillingen gedacht, welke zouden plaatsgrijpen in de richting van den lichtstraal, analoog aan de luchttrillingen in een orgelpijp. Fresnel toonde dat de lichttrillingen plaatsgrijpen loodrecht op den lichtstraal, analoog aan de trillingen van de deeltjes van een gespannen snaar. Natuurlijk dat zulke trillingen, hetzij dan dat zij longitudinaal, hetzij dan dat zij transversaal geschieden, niet kunnen plaatsgrijpen in een ruimte, die ledig zou zijn en waarin niets is dat trillen kan, en de undulatie-theorie van het licht bracht dus noodwendig mede het herstel van den ‘ether.’
Dat ik dit niet het volledig herstel van den natuurinhoud noem heeft daarin zijn grond, dat men vroeger het bestaan van de onweegbare stof niet alleen ten behoeve van de lichtvoortplanting had aangenomen, maar aan haar bijna alle natuurwerkingen had toegeschreven. En in de jaren na de zegepraal der undulatietheorie zag men het zonderlinge schouwspel, dat de natuurkundigen overal Newton's voorstelling van de krachtswerking op afstand bleven huldigen, en ze zelfs uitbreidden op gebieden, die ten tijde van New- | |
| |
ton nog niet bekend waren, bijvoorbeeld bij electriciteitswerkingen en bij magnetisme, overal handelende alsof de ruimte ledig was, en dat alleen als de nieuw ontdekte verschijnselen van het licht verklaard moesten worden, de ‘ether’ te hulp werd geroepen. Het was alsof men zeide, moet er dan ether zijn voor de verklaring van de voortplanting van het licht, welnu, laat er dan ether zijn, maar dan ook alleen ten behoeve van het licht. Verder willen wij er niets mede te maken hebben.
Aan dezen tweeslachtigen toestand is een einde gekomen door den invloed van de electrische onderzoekingen van Faraday en van Maxwell. Faraday, die geen wiskundige was, was er ook niet aan gewend geraakt om, zooals de wiskundige behandeling van electriciteit en magnetisme deed en schijnbaar moest doen, uit te gaan van het denkbeeld, dat er werking op afstand bestond. Onwillekeurig moest hij er weder toe komen de verschijnselen op dat gebied te verklaren door het tusschengelegen algemeen medium. Maxwell die den ideeëngang van Faraday in wiskundigen vorm bracht, toonde aan dat dit mogelijk was als men aannam, dat er behalve ponderabele stof en ether nog iets in het heelal overal aanwezig wordt ondersteld, en wel electriciteit. Zoowel de ponderabele stof als de onweegbare moeten dan als drager van de electriciteit gedacht worden, terwijl de electriciteit niet een afzonderlijk bestaan hebben kan.
De vele ontdekkingen van Faraday, waaronder wel de gewichtigste is de ontdekking van de inductiestroomen, die den grondslag vormen van de geheele electrotechniek, waren niet in staat geweest de natuurkundigen tot zijn inzicht te bekeeren. Maar een gewichtige, theoretische ontdekking van Maxwell bracht het begin van dien omkeer. Maxwell vond waaruit de lichttrillingen bestaan.
Zoowel Huygens, als Young en Fresnel, hadden gemeend dat het de deeltjes van den ether zelven waren welke in trilling kwamen als zich licht voortplantte. Zij hadden de voortplanting van het licht door den ether niet alleen analoog gedacht aan de voortplanting van geluidtrilling door een vast lichaam, maar volkomen daaraan gelijk. Wordt een enkel deeltje van zulk een vast lichaam iets uit zijn plaats gerukt, dan wordt door die verplaatsing
| |
| |
in de omringende deeltjes een zoogenaamde elastische kracht opgewekt, die het verplaatste deeltje weder naar den evenwichtsstand terugdringt. Datzelfde dachten zij nu ook voor de deeltjes van den ether, en hun undulatietheorie wordt daarom door den naam van ‘elastische undulatietheorie’ aangeduid. Maar Maxwell kwam tot het besluit, dat als lichttrillingen zich voortplanten, de ether op zijn plaats blijft, en dat de daarin zich bevindende electriciteit heen en weder vibreert. De ether vervult volgens hem daarbij geen andere rol, dan dat hij de electriciteit draagt en op haar natuurlijke plaats tracht te houden. Maxwell's undulatietheorie wordt van die van Fresnel onderscheiden door den naam van electromagnetische lichttheorie. De door Fresnel ontdekte verschijnselen bleven natuurlijk ook geldig voor Maxwell's theorie. In hoofdzaak komen de beide theorieën overeen, daar het beide trillingstheorieën zijn. Reeds de omstandigheid dat de electromagnetische lichttheorie in staat bleek verschijnselen op eenvoudige wijze te verklaren die voor Fresnel onverklaarbaar waren gebleven, verschafte haar vele voorstanders. Maar het rechtstreeksch bewijs, dat licht een electrisch verschijnsel is, ontbrak.
Een eerste rechtstreeksch bewijs zou geleverd zijn, als men voor heen- en wederschommelende electriciteit kon aantoonen, dat deze in de omgeving zelfs op groote afstanden weder in andere lichamen de electriciteit in schommeling bracht, en als deze werking zich met de snelheid van het licht voortplantte. Dit onderzoek werd met schitterend gevolg volvoerd door Hertz, en zijn waarnemingen op grooter schaal en in gewijzigde omstandigheden hebben geleid tot de draadlooze telegrafie. Maar de trillingsgetallen van de heen- en wederschommelende electriciteit bij de proeven van Hertz, en bij de lichttrillingen, loopen zoo reusachtig ver uit elkander, dat nader bewijs voor de juistheid van de electromagnetische lichttheorie wenschelijk bleef.
Dat wij dit nu weten, en ik geloof niet te overdrijven als ik zeg met volkomen zekerheid, is te danken aan de ontdekking van Zeeman. Had Hertz alleen licht nagebootst op grooter schaal en aangetoond dat dat nagebootste licht alle eigenschappen van terugkaatsing, breking, interferentie en polarisatie van gewoon licht bezat, Zeeman onderzocht het
| |
| |
licht zelf en wel de lichtbron. Als het licht in den ether uit electrische trillingen bestaat die zich voortplanten, dan zal de bron zelf ook wel uit electrische trillingen bestaan. Welnu wij weten, dat magnetisme op electrische stroomen werkt, en kennen de wijze en de hoegrootheid van die werking. Dan moet magnetisme ook op een lichtbron werken, en kunnen wij uit het resultaat van die werking niet alleen zien of die elementaire lichtbron uit een in beweging verkeerende hoeveelheid electriciteit bestaat, maar ook tot nadere bijzonderheden van die beweging besluiten.
De eerste lichtbron, welke Zeeman voor zijn onderzoek koos, was die, welke gewoonlijk in de natuurkunde gekozen wordt, als wij de eigenschappen van een enkele lichtsoort onderzoeken willen. Brengen wij in een bijna niet lichtgevende gasvlam van een Bunsen'schen brander, een kleine hoeveelheid keukenzout, dan wordt door de hooge temperatuur het keukenzout ontleed, en bij dat scheikundig proces en wat er verder voor processen plaatsgrijpen, wordt er door de natriumatomen geel licht uitgezonden. Dat licht bevat eigenlijk twee lichtsoorten, die slechts weinig in trillingsgetal verschillen. Door de machtige werking van het Rowland'sche tralie worden zij van elkander gescheiden, en op een zeer goed meetbaren afstand zien wij dan twee afzonderlijke gele lijnen. Die afstand kan wel tot een millimeter worden opgevoerd. Elk dier lijnen kan nu afzonderlijk onderzocht worden. Bij dat eerste onderzoek kon Zeeman een onmiskenbaren invloed constateeren, als het magnetisch veld ontstond, maar de hier boven beschreven bijzonderheden konden niet worden waargenomen. Naderhand is gebleken wat daarvan de oorzaak is. Dat alles wat wij hierboven eenvoudigheidshalve lijnen hebben genoemd, heeft inderdaad nog zekere breedte. Slechts zelden bestaan zulke lijnen strikt slechts uit één lichtsoort; maar, zooals men het uitdrukt, die lijnen zelven hebben nog een struktuur, en de natriumlijnen zijn voor dit onderzoek te grove lijnen. Daardoor kon het Zeeman'sche triplet zich niet zuiver vertoonen. De grootste scheiding toch, die bij het Zeeman ten dienste staande magnetisme bereikt kan worden is gering. De geheele breedte van het triplet bedraagt daarbij circa 1/13 gedeelte van den afstand der twee genoemde gele lijnen. Heeft nu de lijn, die men
| |
| |
tot een triplet vervormen wil, zekere breedte, dan blijven de drie deelen van het triplet of aan elkander raken, of vallen gedeeltelijk over elkander. Er zou misschien gevaar geweest zijn, dat het geheele onderzoek mislukt was, als niet Lorentz had kunnen voorzeggen, wat er werkelijk bij een enkele lichtlijn te verwachten was. Daardoor geleid kon Zeeman ook bij de Natriumlijn de polarisatie van het licht der randen ten minste aantoonen, welke hij zoodanig vond als voor de uiterste lijnen van het triplet hierboven beschreven is. Deze waarnemingen waren verricht in het Leidsche laboratorium, en werden later in het Amsterdamsche voortgezet. Volledig succes werd het eerst verkregen met een lijn in het spectrum van cadmium. Het is mij een aangename taak hierbij de mildheid te mogen herdenken van het Amsterdamsche Universiteitsfonds, en van de Hollandsche Maatschappij van Wetenschappen te Haarlem, die het mogelijk heeft gemaakt de beste Rowland'sche tralies en verder noodig apparaat voor dat onderzoek aan te schaffen.
Wat is nu de meening, waartoe wij gekomen zijn, omtrent wat er plaatsgrijpt in een punt van de ruimte, dat licht uitzendt - en in hoever kunnen wij dat reeds in bijzonderheden vaststellen door de metingen, door Zeeman verricht? In de eerste plaats moet er aanwezig zijn een stoffelijk atoom, dus ponderabele stof. Dat zal wel vaststaan. In de tweede plaats moet door zekere oorzaken, scheikundige processen bijvoorbeeld, in dat atoom electriciteit in trilling worden gebracht; ook daarover kan geen verschil van opinie bestaan. Die trilling behoeven wij ons niet te denken volgens een klein lijntje te geschieden. Even als het vrije uiteinde van een ingeklemden staaf in den regel, als de staaf trilt, een klein ellipsje beschrijft, zullen wij ook voor de vibratie der electriciteit mogen denken een rondloopen in een zeer kleine elliptische baan. In de derde plaats moeten wij de electriciteit in de ponderabele stof atomistisch verdeeld denken, dus denken dat er ook voor de electriciteit, evenals voor de ponderabele stof, kleinste hoeveelheden bestaan, die niet verder onderverdeeld kunnen worden. Tot zulk een voorstelling waren wij reeds geleid door de verschijnselen der electrolyse. En ten vierde moeten wij uit het bedrag van de verschuiving der lichtlijnen besluiten, dat de electriciteit niet op zich zelve
| |
| |
in de elliptische baan rondloopt, maar gebonden aan een klein deeltje van het atoom der ponderabele stof. Dit beteekent dat het ponderabele atoom, niet zooals men vroeger dacht, verder ondeelbaar is, maar dat er deeltjes kleiner dan atomen bestaan. Aan deze onderdeelen van het ponderabele atoom, die dragers zijn van een atoom electriciteit, en die zonder electrische lading nog niet zijn geconstateerd, geeft men den naam van electronen. Deze electronen, en de electriciteit welk zij dragen, zijn het veel fijnere, dat ik op de vorige bladzijden geen naam had gegeven. De stoffelijke massa van die electronen is, ten ruwe gezegd, een duizendste gedeelte van de massa van een atoom waterstof. Reeds zijn tal van andere verschijnselen ontdekt, waardoor men in staat is de grootte dezer electronen te bepalen - en al deze metingen geven uitkomsten, die in hoofdzaak de gegeven getallenwaarde bevestigen. Hadden die electronen niet bestaan, en had de lichtbeweging bestaan in het rondloopen van een atoom electriciteit, gedragen door het geheele atoom, om een ander dergelijk atoom heen, dan zou de Zeeman'sche proef niet gelukt zijn. Dan zou de verplaatsing der lijnen slechts een duizendste gedeelte bedragen hebben van het nu waargenomen bedrag en dus onmerkbaar zijn geweest.
Voor hem, die bekend is met de werking van magnetisme op bewegende en dus stroomende electriciteit, kan nu zonder veel moeite afgeleid worden, dat voor de ééne periodieke beweging, n.l. het roodloopen in de elliptische baan, er drie verschillende periodieke bewegingen in de plaats moeten komen, zoodra het magnetisme ontstaat. Voor die eene periodieke beweging in de ellips kunnen wij in de plaats stellen één periodieke beweging volgens de magnetische krachtlijn en één rondom de krachtlijn, en deze laatste kon zoowel in de richting van de beweging van de wijzers van een uurwerk als in den tegengestelden zin geschieden. Een electriciteitsbeweging volgens de krachtlijn ondervindt geen werking, en behoudt dus hare eigen periode. De andere worden op, voor den theoretisch ontwikkelden electrotechnicus ten minste, bekende wijze gewijzigd en het teeken van die wijziging hangt af van den zin der beweging.
Iedere ontdekking, hetzij theoretisch, hetzij van proefondervindelijken aard heeft hare intieme geschiedenis. Hoe is het
| |
| |
eerste denkbeeld ontstaan, - wat zijn de invloeden, die van buiten hebben ingewerkt, - welke teleurstelling is eerst ondervonden, en wat heeft tot volhouden geprikkeld? Meestal verneemt de buitenwereld niets daarvan. Voor den ontdekker zelf zijn al deze dingen onvergetelijk, maar zij blijven meestal onuitgesproken, zooals wij gewoonlijk de gedachten, die ons het hevigste ontroeren, alleen in ons hart bewaren. Verre is het van mij te beweren, dat ik de intieme geschiedenis van deze ontdekking zou kennen, en kende ik ze, dan zou ik het ongeoorloofd achten er over te spreken. Toch is er een enkele bijzonderheid, die ik meen wel te mogen mededeelen.
Somtijds wordt een ontdekking bij toeval gedaan, of wordt iets anders gevonden, dan gezocht werd. Men zoekt dan Indië en vindt Amerika. Dit is niet het geval geweest met het werk van Zeeman. Al stond het hem in den beginne niet klaar voor den geest op welke wijze het magnetisme den aard van het uitgezonden licht zou veranderen, hij ging uit van het denkbeeld dat een dergelijke invloed zou bestaan, en vond waarin die invloed bestond. Reeds dat vaste vertrouwen, dat zulk een invloed bestaan zou, is iets opmerkelijks. Het is waar dat, zooals wij in het voorafgaande hebben betoogd, voor ieder die geloofde dat licht uit vibraties van electriciteit zou bestaan, een invloed van het magnetisme te voorspellen was. Maar Faraday had er te vergeefs naar gezocht. En wat sterker is, Maxwell had op de meest positieve wijze verzekerd dat zulk een invloed niet bestaan zou. En Maxwell was juist degeen geweest, die het licht uit electrische vibraties had doen bestaan, en die ten volle bekend was met de werking van magnetisme op bewegende electriciteit. Hoe Maxwell ooit een uitspraak heeft kunnen doen als de volgende is en blijft een raadsel. Zoo zegt hij van de trillende stofdeeltjes: ‘No power in nature can now alter in the least either the mass or the period of any one of them.’ En dat zegt hij niet eens, maar herhaalt hij in een voordracht gehouden voor de British Association, waar wij lezen van de lichtuitzendende stofdeeltjes, dat hun vibraties ‘are composed of a system of simple vibrations having always the same periods’. Zelfs voegt hij daaraan toe, dat dit is ‘a very remarkable fact.’ Wij kunnen deze uitspraken, maar niet de kracht waarmede zij geuit zijn,
| |
| |
alleen verklaren, als wij bedenken, dat als iemand een theoretische ontdekking heeft gedaan, hij voor zich zelf volkomen van de waarheid dezer ontdekking overtuigd is, maar dat, zoolang die ontdekking nog niet algemeen als waar erkend is, hij, als hij anderen toespreekt, vaak meent zich op het standpunt van hen die hij toespreekt te moeten plaatsen. In zoover hebben die uitspraken van Maxwell een gelukkig gevolg gehad, dat zij juist Zeeman geprikkeld hebben om te onderzoeken of dit nu wel volkomen waar was. En het welslagen van zijn proef heeft de natuurkundigen ertoe gebracht, meer nog dan vroeger, om realiteit toe te kennen aan hetgeen buiten en naast de ponderabele stof bestaat. Tot hiertoe echter is het nog niet gelukt om het bestaan van de Newton'sche aantrekking uit de werking der onweegbare stof te verklaren. Op het oogenblik blijft men dus nog spreken van ‘het raadsel van de zwaartekracht’.
Daarenboven zou ik meer gedaan hebben, dan ik zou kunnen verantwoorden, als ik in den waan had gebracht, dat er in het wezen van een lichtpunt niets raadselachtigs meer is overgebleven. Zond elke lichtuitzendende stof slechts één enkele lichtsoort uit, dan zouden wij kunnen meenen, dat wij in de hoofdzaken het wezen van een lichtuitzendend atoom kenden. Maar nog volkomen onverklaarbaar is voor ons het feit, dat zooveel lichtsoorten tegelijk uitgezonden worden. Voor ijzeratomen bedraagt dit aantal meer dan 5000. Wij kunnen toch niet onderstellen dat er tegelijk 5000 electronen, elk met een eenigszins verschillenden trillingstijd, in omloop zijn gebracht. Sommigen hebben de meening geopperd dat, daar wat wij een lichtpunt noemen altijd een groote verzameling van ponderabele atomen omvatten zal, elk dezer atomen slechts één of slechts weinig lichtsoorten uitzendt, en dat er dus eigenlijk bij de lichtuitzending sprake is van verschillende soorten van ijzeratomen, of scherper gezegd, van ijzeratomen in verschillenden bewegingstoestand. Al geven wij door dit aan te nemen het begrip prijs van algeheele identiteit der verschillende atomen van een zelfde stof - dan moet erkend worden, dat, strikt genomen, dit reeds in de statistische natuurbeschouwing door elk natuurkundige geschiedt. Was dan ook het aantal uitgezonden lichtsoorten voor alle stoffen even groot, en waren zij aan
| |
| |
elkander gelijk of indien zij op gelijksoortige wijze uit een enkele grondsoort konden worden afgeleid, dan zou het inderdaad aangewezen zijn in die richting de verklaring te zoeken. Maar ofschoon er regelmatigheden ontdekt zijn bij de vergelijking van verschillende serieën trillingsgetallen voor verschillende stoffen, deze regelmatigheden zijn niet van dien aard, dat daardoor de uitgesproken meening bevestigd wordt.
En toch een zoo samengestelde inrichting van een licht uitzendend atoom te denken, dat daardoor het uitzenden van 5000 lichtsoorten mogelijk wordt, is niet aannemelijk. Wilden wij bij het geluid zoo iets verwezenlijken, dan zouden wij bijvoorbeeld op de pianino, binnen de grenzen van een octaaf, niet zeven witte en vijf zwarte toetsen moeten denken, maar dat aantal legio maken.
Er schijnt dus aan onze voorstelling van het wezen van een lichtuitzendend atoom nog iets fundamenteels te ontbreken, dat ons, zoodra wij het gevonden zullen hebben, die geheele samengesteldheid als het gevolg van een eenvoudige en eenvoudig werkende oorzaak zal kunnen doen beschouwen. Want dat ook dit zoo samengestelde verschijnsel op eenvoudige wijze zal moeten kunnen verklaard worden, zal wel de verwachting zijn van de groote meerderheid der natuurkundigen. In elk geval van hem die in de gansche natuur en in al wat bestaat de verwerkelijking ziet van een alles omvattende en toch ondeelbare Godsgedachte. Op het oogenblik moet men echter nog blijven spreken van ‘het raadsel van de samengesteldheid van een lichtspectrum.’
Het is voor allen die wetenschappelijk onderzoek liefhebben om de wetenschap zelve een bevredigende gedachte dat het theoretisch onderzoek van Lorentz en het proefondervindelijk onderzoek van Zeeman hebben plaats gehad, toen er van Nobelprijzen nog geen sprake was. Deze prijzen mogen dan als belooningen worden uitgereikt - het is mijn vaste overtuiging dat zij onvermogend zullen zijn ter bevordering van wetenschappelijk werk van het hoogste gehalte. Die daartoe niet geleid wordt door een onweerstaanbaren innerlijken drang, zal zulk werk niet kunnen volvoeren door uitzicht op stoffelijk gewin.
J.D. van der Waals.
|
|
Gedeeltelijk auteursrechtelijk beschermd