|
| |
| |
| |
William Wilson F.R.S.
Engelse natuurwetenschap
I
Wij zijn op onze Britse eilanden natuurlijk heel trots op de bijdragen tot de natuurwetenschap die onze grote mannen geleverd hebben. Sir Isaac Newton (1642-1727) bouwde het systeem der mechanica op en sprak de gravitatiewet uit, die tot in de beginjaren van deze eeuw stand heeft gehouden. De manier waarop hij rekenschap gaf van de bewegingen der planeten, was zo goed, dat de kleine afwijkingen, die ongetwijfeld aanwezig zijn, pas door uiterst nauwkeurige waarnemingen over een lang tijdsverloop ontdekt hebben kunnen worden. Meer dan tweehonderd jaar lang schenen zijn beginselen alles in te houden wat nodig was om physische verschijnselen te verklaren.
De wetenschap van electriciteit en magnetisme begon in ernst met William Gilbert van Colchester (1542-1603). Een der oudste physiologen was William Harvey (1578-1658), die omstreeks het einde van de zestiende eeuw den bloedsomloop ontdekte. In latere tijden maakte de Schot James Clerk Maxwell (1841-1879), een genie van den rang van Newton, van optica en electriciteitsleer een geheel en voorspelde de electromagnetische golven, die nu over de gehele wereld gebruikt worden voor nieuwsuitzendingen. Een andere grote Engelse natuuronderzoeker was Charles Robert Darwin (1809-1881), wiens belangrijke bijdragen tot de evolutieleer algemeen bekend zijn. Natuurlijk zijn dit slechts enkele van de belangrijkste Engelse wetenschappelijke figuren voor het einde van de negentiende eeuw.
| |
II
Wanneer wij ons nu speciaal met de natuurkunde gaan bezighouden, mag niet over het hoofd worden gezien, dat de moderne golfmechanica (een vorm van de quantum-mechanica) reeds duidelijk wordt aangegeven in
| |
| |
het werk van den Iersen astronoom Sir William Hamilton (ca 1834). Hij merkte een merkwaardige analogie op tussen de mechanica en de geometrische optica van zeer korte golven; golfmechanica is niets anders dan een uitbreiding van deze gedachte, waardoor de mechanica met optica in den wijdsten zin des woords analoog is geworden. In Hamilton's werk vindt men ook reeds de eerste aanduiding van den vierdimensionalen vorm van Einstein's relativiteitstheorie, waaraan wij gewoonlijk den naam van Hermann Minkowski (1908) verbinden. De moderne ontwikkeling van de physica wordt ten onrechte vaak revolutionnair genoemd; in feite vormt zij de natuurlijke uitbreiding van de grondslagen die door Galileo Galilei en Isaac Newton gelegd zijn.
Op het ogenblik zijn de meeste van onze physici in een van de volgende richtingen van onderzoek geïnteresseerd: kosmische straling, kernphysica, lage temperaturen.
De kosmische straling werd het eerst opgemerkt door den Schot Charles Thomson Rees Wilson (geb. 1869), toen het hem onmogelijk bleek, een electroscoop te beschermen tegen verlies van lading, zelfs als de isolatie volmaakt leek. Dit kwam natuurlijk door de zeer doordringende straling, die uit interstellaire gebieden afkomstig was. Reeds jaren voordat de term kosmische straling werd ingevoerd, stond zij in Engeland als ‘penetrating radiation’ bekend. Er schijnt niet aan getwijfeld te kunnen worden, dat zij ten dele bestaat uit de positief geladen kernen van waterstofatomen. Dat zij, althans ten dele, uit positieve deeltjes bestaat, wordt aangetoond door het breedte- en het longitudinale effect van het aardmagnetisme en daar er overtuigende redenen zijn om aan te nemen, dat meer dan negentig procent van de stermaterie uit waterstof bestaat, zijn wij gedwongen te onderstellen, dat deze positief geladen deeltjes voornamelijk protonen zijn. Het ziet er naar uit, dat zij door enorm sterke electrische en magnetische krachten uit de sterren worden weggeslingerd. Naast protonen bevat de kosmische straling photonen van enorme energie, of, zoals wij zelfs tegenwoordig nog kunnen zeggen, licht van bijna oneindig kleine golflengte. Wij nemen tegenwoordig aan, dat licht corpusculair van aard is. Het bestaat uit photonen, een mysterieus soort deeltjes. Natuurlijk zien wij daarbij niet over het hoofd, dat het op verscheidene treffende wijzen verschijnselen vertoont die karakteristiek zijn voor golven.
De kosmische straling wordt thans intens onderzocht door P. Blackett (Manchester) en C.F. Powell (Bristol) met hun medewerkers. De moderne methode van onderzoek bestaat daarin, dat men photografische platen (die soms in ballons op grote hoogte worden gebracht) aan de
| |
| |
straling blootstelt. Als de platen ontwikkeld worden, ziet men de sporen van de deeltjes en daardoor kan men hun karakteristieke eigenschappen bestuderen. Het teken van de lading (positief of negatief) en de massa's der deeltjes kunnen worden afgeleid uit de richtingen der sporen en de bedragen van hun afwijkingen van de rechtlijnigheid in een magnetisch veld van bekende sterkte. Voor dit speciale doel is de Wilson-nevelcamera nog gemakkelijker en doelmatiger.
In niet te hoog gelegen delen van de atmospheer zijn vele verschillende soorten deeltjes waargenomen. Deze danken hun ontstaan aan botsingen tussen de primaire straling (protonen en photonen) en de zuurstof- en stikstofatomen in de atmospheer. Men vindt er verscheidene variëteiten bij van het vreemde soort deeltjes die men mesonen noemt (μέσος = midden), omdat de massa van zulk een deeltje ongeveer midden tussen die van een electron en die van een proton inligt. In de kosmische straling is voor het eerst het positron waargenomen, dat zich van een electron alleen hierdoor onderscheidt, dat het een positieve lading heeft; het was echter al theoretisch voorspeld door P.A.M. Dirac, hoogleraar te Cambridge.
Wanneer wij ons tot de kernverschijnselen wenden, kan worden vastgesteld, dat onze huidige kennis daarvan voornamelijk te danken is aan het bewonderenswaardige pionierswerk van Ernest Rutherford (Lord Rutherford of Nelson), een Nieuw-Zeelander van Schotse origine, die later Cavendish Professor te Cambridge was, en aan het werk van zijn leerlingen en medewerkers.
Rutherford leidde uit zijn proeven af, dat een atoom te vergelijken is met een miniatuur zonnestelsel; een massieve positief geladen kern correspondeert met de zon, negatief geladen electronen met de planeten. Wij kennen de orden van grootte der verschillende deeltjes: de middellijn van een atoom bedraagt ca 10-8 cm, die van een electron ca 10-13 cm, dus ongeveer een honderdduizendste deel van die van een atoom, die van een kern ca 10-12 cm. De eigenschappen van de banen der electronen in de atomen zijn aan het licht gebracht door het werk van den Engelsman John William Nicholson (1912), den Deen Niels Bohr (1913), den Engelsman William Wilson (1915-1916) en den Duitser Arnold Sommerfeld (1916).
Aard en structuur van de kern zijn en worden afgeleid uit verschijnselen van radioactiviteit, zowel natuurlijke als kunstmatige. In zulke verschijnselen vindt een transmutatie plaats van de kern van een atoom van het ene element in die van een atoom van een ander. De kernen van radium- | |
| |
atomen gaan voortdurend over in die van een edelgas, radon, waarbij zij, α-deeltjes, d.z. atoomkernen van het edelgas helium, uitzenden.
Reeds lang geleden (1815) heeft William Prout het vermoeden uitgesproken, dat de atomen van alle elementen samengesteld zouden zijn uit waterstofatomen. Dit denkbeeld is niet geheel juist, maar het komt toch wel dicht bij de waarheid. De kern van een atoom bestaat uit protonen, dus waterstofatoomkernen, samen met een enigszins veranderlijk aantal neutronen. Dit zijn ongeladen deeltjes, maar overigens practisch identiek met protonen. Zij zijn het eerst waargenomen door Bothe en Becker (1930), toen zij bepaalde lichte elementen met α-deeltjes bombardeerden; zij maakten eerst den indruk van een zeer doordringende γ-straling, dus van Röntgenstralen van zeer kleine golflengte. Hun ware aard is het eerst ingezien door Sir James Chadwick, nu Master van Gonville and Caius College te Cambridge, een oud-leerling van Rutherford. Het aantal protonen in de kern bepaalt, tot welk element het atoom behoort; ieder element heeft nl. een vast aantal protonen in zijn atoomkernen en gewoonlijk een veranderlijk aantal neutronen. Zo heeft chloor 17 protonen in de kern, maar er is een variëteit met 18 neutronen en een met 20. De eerste heeft dus een massagetal 17 + 18 = 35, de tweede 17 + 20 = 37. Deze verschillende variëteiten van hetzelfde chemische element heten isotopen (van ἴσος = gelijk en τόπος = plaats), omdat zij in het periodiek systeem van Newlands en Mendelejeff dezelfde plaats innemen. De naam is afkomstig van Rutherford's vermaarden medewerker Frederic Soddy, later hoogleraar te Oxford. Het chloor van het chemisch laboratorium is een mengsel van deze twee isotopen in de verhouding 3 van het eerste tot 1 van het tweede. Gebruikt men den naam nucleon voor protonen en neutronen beide, dan kan men zeggen, dat het massagetal van een element het
aantal nucleonen in zijn atoomkernen is.
Er wordt tegenwoordig veel gewerkt over de verschijnselen der atoomsplitsing. Het is duidelijk, dat in de atoomkernen een sterk krachtenveld aanwezig is, dat ze uiteen tracht te scheuren; protonen zijn immers positief geladen en stoten elkander dus af. Toch zijn zelfs zeer zware kernen, bijvoorbeeld die van uranium, zeer stabiel en, hoewel er wel eens een uiteenvalt, is hun halveringstijd meer dan vier milliard jaar. Hoe komt dit? Er bestaat in een atoomkern nog een ander soort krachtveld, dat van het afstotende electrische veld verschilt, een veld dat de delen van de kern bijeenhoudt. Dit conserverende veld schijnt dichtbij de kerngrens tamelijk plotseling te eindigen, terwijl het afstotende zich tot ver buiten de kern uitstrekt. Wanneer nu een neutron
| |
| |
met een voldoende energie een uraniumatoom treft (speciaal een kern van de isotoop met massagetal 235) wordt het atoom in trilling gebracht; zijn delen komen daardoor buiten de grenzen van het conserverende veld met het gevolg, dat het afstotende electrische veld het atoom met grote heftigheid uiteen doet vallen. Meer kunnen wij er hier niet over zeggen, maar het meegedeelde zal voldoende zijn om er een indruk van te geven, hoe men het idee van de atoombom heeft kunnen opvatten en verwezenlijken.
Hoewel de onderzoekingen over atoomsplitsing er vaak, zelfs in de meerderheid der gevallen, op gericht zijn, energie voor industriële doeleinden te verkrijgen en een sterk defensief wapen tegen een vijand te leveren, zijn er natuurlijk toch ookverscheidene Britse natuuronderzoekers die kern- en andere atoomverschijnselen om hun zelfs wil bestuderen. Zij houden zich bezig met fundamentele vragen over stabiliteit van atoomkernen en over de processen die zich binnen de kern afspelen.
Een ander wetenschappelijke werkzaamheid op natuurwetenschappelijk gebied betreft het verkrijgen en meten van zeer lage temperaturen en het onderzoek van de eigenschappen der stof bij die temperaturen (D. Shoenberg in het Cavendish Laboratorium te Cambridge en F. Simon te Oxford). Tot dit gebied behoort het vreemde verschijnsel van het verdwijnen van den electrischen weerstand van metalen en de daarmee samenhangende veranderingen in het warmtegeleideingsvermogen, vooral bij aanwezigheid van een sterk magnetisch veld.
| |
III
Veel van het werk dat tegenwoordig in de Engelse chemie verricht wordt, is nog steeds van dezelfde soort als dat van een eeuw geleden. Dit is niet als kritiek bedoeld. Het soort onderzoekingen dat berust op het begrip moleculaire structuur en dat zijn oorsprong vindt bij den Schot A.S. Couper en den Duitser Kékulé, is nog altijd aan den gang. Het bestaat in het analyseren van complexe moleculaire, speciaal organische structuren en in het synthetiseren van nieuwe verbindingen. In dit verband is de polarimeter nog steeds een belangrijk hulpmiddel; in het algemeen gebruiken de chemici tegenwoordig meer dan ooit physische toestellen, zoals de spectroscoop en de Röntgenstralenbuis.
Sir Owen Richardson en zijn medewerkers zijn bezig met het onderzoek van het spectrum van het waterstofmolecuul en van wat daaruit over de structuur van en de processen in dit molecuul kan worden afgeleid. Anderen meten isomerisatiesnelheden. Aethylalchol en dimethylaether
| |
| |
zijn voorbeelden van isomeren d.w.z. stoffen, waarvan de moleculen gelijke aantallen van dezelfde atomen bevatten, in casu C2H6O, maar op verschillende manieren gecombineerd (ἴσος = gelijk; μέϱος = deel).
| |
IV
Astronomie is feitelijk een onderdeel van de physica. Tegenwoordig is de spectroscoop van aanzienlijk belang voor de astronomie, speciaal op deze eilanden, waar de atmospheer zelden geschikt is voor waarneming van zeer verwijderde objecten, zoals extra-galactische nevels.
Het onderzoek van de interstellaire materie (die ongeveer de helft van de massa van ons melkwegstelsel bevat) wordt tegenwoordig met kracht ter hand genomen. Er zijn sterren - waarschijnlijk de meeste - die een electromagnetische straling van zeer grote golflengte uitzenden. Met wat wij radio-astronomie zouden kunnen noemen is in dit land reeds een begin gemaakt op instigatie van den pionier Sir Edward Appleton, vice-kanselier van de Universiteit van Edinburgh. Het is mogelijk, dat er sterren bestaan, die de astronomen slechts langs dezen weg kunnen leren kennen. Door het werk van den Amerikaan J. Homer Lane (1870) en later meer in het bijzonder van den Engelsman Sir Arthur Eddington, vroeger hoogleraar te Cambridge, is komen vast te staan, dat als we de dwergen uitzonderen, de sterren bijna de samenstelling van een ideaal gas bezitten, en nog later (F. Hoyle te Cambridge en anderen), dat dit gas voornamelijk waterstof is.
Verscheidene van onze theoretische astronomen zijn den laatsten tijd vervuld van een geloof in schepping van materie. Een van de redenen (Hoyle) voor het opstellen van deze hypothese is, dat men hieraan behoefte heeft om te kunnen verklaren, waarom het heelal den toestand waarin het verkeert, behoudt; men kan dit nauwelijks een voldoende reden noemen. De meest belovende aanpak van de problemen die de astronomische verschijnselen op grote schaal doen rijzen - het wegvluchten van de spiraalnevels, hun ontstaan, hun vorm - ligt volgens de mening van schrijver dezes in de richting van een passende generalisering van de vroegste kosmologische beschouwingen van Albert Einstein en den groten Nederlandsen astronoom De Sitter (1917). Dat de laatste de verwijdering van de spiraalnevels heeft voorspeld en verklaard, is een zeer indrukwekkende prestatie. Er liggen m.i. grote mogelijkheden in de vervanging van de kosmologische constante door een corresponderende kosmologische veranderlijke.
| |
| |
Wij besluiten hiermee de bespreking van het zuiver physisch-chemisch aspect der natuurwetenschappen en wenden ons tot biologische verschijnselen.
| |
V
Er is den laatsten tijd door Britse physiologen veel gedaan aan onderzoek van het zenuwstelsel en dit werk wordt nog steeds krachtig voortgezet. Onder de meest vooraanstaanden, die zich aan deze richting van onderzoek hebben gewijd, noemen wij wijlen Sir C. Sherrington, vroeger hoogleraar te Oxford, Sir Henry Dale, oud-president van de Royal Society, en Dr E.D. Adrian, Master van Trinity College te Cambridge en thans president van de Royal Society. Veel, waarschijnlijk wel het merendeel van hun werk betreft de verheldering van den physischen achtergrond van de gewaarwording.
Een der grootste Britse physiologen van den laatsten tijd was Joseph Barcroft (1872-1947), een geboren Ulsterman, hoogleraar te Cambridge. Het laatste werk van hem en zijn medewerkers was het onderzoek naar de physiologische verschijnselen die optreden bij het gebruik van z.g. ‘tracer’-elementen, d.z. kunstmatige radioactieve isotopen b.v. van fosfor. De aanwezigheid van deze stoffen in een dierlijk lichaam en hun voortgang van de ene plaats naar de andere kan gemakkelijk worden waargenomen met behulp van den Geigerteller.
Andere physiologen zijn J.B.S. Haldane, zoon van een beroemden vader, en V. Hill, vroeger secretaris van de Royal Society. De laatste heeft belangrijk werk gedaan op het gebied van de spierphysiologie, terwijl de eerste zich altijd intens heeft gewijd en nog wijdt aan de biometrie, het meten van biologische processen.
Het onderzoek van het metabolisme, d.w.z. van de scheikundige veranderingen die met de voeding gepaard gaan, met behulp van ‘tracer’-elementen neemt de aandacht van verscheidene onzer physiologen in beslag, eveneens dat van de vitaminen en hormonen (chemische boodschappers in de lichamen van dieren en planten).
| |
VI
Ongetwijfeld de meest fascinerende van alle takken der biologie is de genetica of erfelijkheidsleer. Deze begint in feite met den beroemden Boheemsen (Tsjechischen) abt Gregor Mendel (1865). Maar zijn zeer belangrijke werk bleef onbekend of werd vergeten, totdat aan het eind
| |
| |
van de negentiende eeuw de Nederlander Hugo de Vries de aandacht op de grote betekenis ervan vestigde. De Vries deed een der grootste biologische ontdekkingen van alle tijden, die van de mutatie (1902). Wat een levend schepsel van zijn voorouders erft, wordt bepaald door zekere kleine en zeer complexe structuren in de cellen der voortplantingsorganen, genen. Mutaties zijn sprongsgewijze, ogenschijnlijk toevallige veranderingen in de genen. Zij komen overeen met die veranderingen in het organisme die erfelijke modificaties zijn. Modificaties, d.w.z. veranderingen, die door de omgeving in organismen worden teweeggebracht, zijn niet erfelijk. Het is echter zeer begrijpelijk, dat Darwin en zijn tijdgenoten van mening waren, dat dit wel het geval was.
De voornaamste hedendaagse onderzoekers op genetisch gebied op deze eilanden, waarvan schrijver dezes gehoord heeft, zijn, C.D. Darlington, R.A. Fischer en E.B. Ford. Ongetwijfeld zijn mutaties datgene wat de physicus quantumsprongen noemt. Deze werden in de physica het eerst ontdekt door Max Planck (1900) en vormen wel de grootste wetenschappelijke ontdekking die ooit gedaan is.
De natuurverschijnselen, hetzij biologische, hetzij zuiver physische, berusten op kleine, plotselinge, sprongsgewijze veranderingen, die helemaal van het toeval afhankelijk schijnen te zijn. De regelmaat van verschijnselen op grote schaal is een gevolg van het feit, dat zij teweeg worden gebracht door enorm grote aantallen atomaire en moleculaire eenheden. Wanneer een scherpschutter een kogel naar een schijf schiet, is het binnen bepaalde, geenszins te verwaarlozen grenzen, geheel onzeker, waar de kogel de schijf zal treffen. Maar als hij duizenden malen schiet, vindt men de trefpunten verdeeld volgens een wel bekende mathematische formule. Deze formule heet de exponentiële functie. Zij heeft den vorm van de wet der samengestelde intrestrekening, mits men de rente telkens aan het eind van onbepaald korte tijdvakken bijgeschreven denkt inplaats van om het jaar.
Dat de organen in dieren en planten op grote schaal ordelijk functionneren - men denke aan de sublieme structuur van de menselijke hersenen - is toe te schrijven aan het onvoorstelbaar grote aantal der betrokken atomen. Het ziet er wel naar uit, dat biologische verschijnselen zuiver physischchemisch van aard zijn. In de physica zijn wij vertrouwd met zeer uiteenlopende groepen van verschijnselen, b.v. thermische aan den enen en electromagnetische aan den anderen kant. Zo is het ook mogelijk, dat wij in de biologie de ontdekking van physische verschijnselen van een nieuwe nog onbekende soort zullen kunnen verwachten. Tegenwoordig is het
| |
| |
werk in het (physisch) Wheatstone-laboratorium van King's College te Londen (J.T. Randall en medewerkers) voor een groot deel gewijd aan de physische eigenschappen van levende cellen.
| |
VII
De toepassingen der wiskunde doortrekken de gehele natuurwetenschap; zonder dit machtige hulpmiddel is vooruitgang onmogelijk. Het lijkt daarom gewenst, hieraan en zelfs aan de zuivere wiskunde enige plaatsruimte te besteden. Men neemt gewoonlijk aan, dat de zuivere wiskunde geheel onafhankelijk is van de natuurwetenschap en van andere vakken. Wij zijn het er ongetwijfeld allen over eens, dat zij gebaseerd moet zijn op cohaerente premissen en dat zij door juiste gevolgtrekkingen uit die premissen moet worden opgebouwd. Men kan echter opmerken, dat die premissen, zeker voor het grootste deel, worden voorgeschreven door de problemen van de physische wereld en men kan dan ook gemakkelijk den bestaansgrond van de belangrijkste functies en theorema's der zuivere wiskunde in hun toepasbaarheid op physische verschijnselen vinden. De reeds vermelde exponentiële functie is een soort verbinding van de vertrouwde functies sinus en cosinus, die reeds vroeg toegepast zijn op periodieke verschijnselen en het grote theorema van Jean Baptiste Joseph Fourier (1807), waarvan de invloed zich zelfs tot de allermodernste zuivere wiskunde uitstrekt, is oorspronkelijk opgesteld om de problemen van de warmtegeleiding te kunnen aanpakken.
Merkwaardig genoeg is de zuivere wiskunde de minst bevredigende van alle wetenschappelijke werkzaamheden van dezen tijd. Globaal gesproken zijn de hedendaagse wiskundigen in twee groepen te verdelen: de grootste ontleent haar inspiratie aan G. Cantor (1845-1918) en zijn verzamelingsleer; de andere staat onder leiding van L.E.J. Brouwer te Amsterdam. De tegenwoordige wiskundigen van Cambridge en Oxford behoren tot de eerste groep; hun voornaamste vertegenwoordiger was in den jongsten tijd G.H. Hardy (1877-1947). Schrijver dezes heeft den indruk, dat Cantor's theorie der transfiniete getallen en de daaruit voortvloeiende ontwikkeling der integraalrekening door Lebesgue en anderen op ondeugdelijke grondslagen berusten.
| |
| |
| |
VIII
Deze slotparagraaf is bestemd voor hen die zich voor de philosophie der natuurwetenschap interesseren. Schrijver dezes heeft niet over het hoofd gezien, dat er ook nog dingen bestaan als zintuiglijke gewaarwording, geheugen, wensen, wil, enz. Deze dingen lijken tot een andere wereld te behoren dan die de beoefenaar der natuurwetenschappen onderzoekt. Zijn gewaarwordingen spelen de rol van tekens van een code, de code waaraan hij informatie omtrent de wereld die hij onderzoekt, ontleent. Denk aan een onderzoeker, die bezig is, nauwkeurig een photografische plaat te beschouwen, waarop hij de lijnen waarneemt die hij te samen een spectrum noemt. Wanneer deze foto opgenomen is met een goed opgestelde spectrograaf kan bij bijvoorbeeld concluderen, dat een ver verwijderde spiraalnevel zich met een snelheid van 80.000 km/sec van de aarde af beweegt.
Max Planck heeft eens gezegd, dat het werk van den physicus - men kan eraan toevoegen: van alle beoefenaren der natuurwetenschap - berust op de metaphysische onderstelling, dat er een reële wereld bestaat, die onafhankelijk is van hem en van het feit, dat hij zich met haar bezig houdt. Zoals de 18e-eeuwse Engelse dichter Alexander Pope schreef:
Physic of Metaphysic begs defence,
And Metaphysic calls for aid on Sense!
(Vertaling E.J. Dijksterhuis)
|
|
Gedeeltelijk auteursrechtelijk beschermd