Hollands Maandblad. Jaargang 1989 (494-505)

[p. 3]

[503]

Over gebruik en misbruik van de natuur
Een thermodynamische beschouwing
M.J. Sparnaay

1. De warmtedood

Een eeuw geleden vond er in Europa een discussie plaats over een pessimistische voorspelling aangaande het lot van de wereld. Deze zou een ‘warmtedood’ sterven; alle leven zou verdwijnen, een structuurloze massa zonder temperatuurverschillen zou overblijven, dood, nacht en vergetelheid, aldus een ironische beschrijving van een bekend popularisator van de natuurwetenschappen uit die dagen^1.) zou het lot van de wereld zijn.

De discussie is in deze vorm niet meer actueel. Wel werd er gesproken over het lot van de mens in dit proces, maar niet over zijn rol daarin. Evenmin kwamen de visies op de natuur van de diverse deelnemers aan de discussie, aan de orde. Over het omgaan door de mens met de natuur en over zijn visies gaat dit stuk. Ter inleiding volgt hier een schets van deze merkwaardige 19de eeuwse discussie.

De hypothese van de warmtedood is voortgekomen uit de natuurwetenschappen en wel uit de warmteleer of thermodynamica, met daarbij de vooronderstelling dat de natuur uiteindelijk uit atomen is opgebouwd.

Reeds vóór het begin van de 19de eeuw waren mensen met ver uiteenlopende belangstelling, variërend van filosoof tot ingenieur, gefascineerd door het thema ‘warmte’. Schelling wijdde vele bladzijden van zijn Ideen zu einer Philosophie der Natur van 1797 aan het verschijnsel warmte, en Carnot trachtte in zijn Réflexions sur la Puissance du Feu van 1824 de rol van de warmte in een geïdealiseerde stoommachine te begrijpen.

Door het werk van Carnot, Clausius, W. Thomson en Joule werd de warmteleer als tak van de natuurwetenschap gevestigd en konden beide z.g. hoofdwetten worden geformuleerd. Clausius deed dat in 1865 in een beroemd geworden uitspraak:

Die Energie der Welt ist konstant,

Die Entropie strebt einem Maximum zu.

Volgens de eerste hoofdwet kan geen energie uit het niets gewonnen worden - een perpetuum mobile is onmogelijk - en kan energie ook niet vernietigd worden. Een afkoelend voorwerp verliest wel zijn warmteenergie, maar deze wordt volledig door de omgeving opgenomen. Als energie van de ene vorm (bijvoorbeeld mechanische energie) in een andere (bijvoorbeeld warmteenergie) overgaat, ook dan, zo zegt de eerste hoofdwet, blijft de totale hoeveelheid constant. De eerste hoofdwet kan men daarom als een behoudswet karakteriseren.

De tweede hoofdwet daarentegen heeft het karakter van een dissipatiewet, een wet die zegt dat er in de natuur voortdurend iets verkwist of verstrooid wordt, niet behouden blijft. De tweede hoofdwet sluit aan op algemeen bekende observaties in de anorganische natuur: water stroomt altijd van hoog naar laag, warmte stroomt altijd van plaatsen met hoge temperatuur naar plaatsen met lage temperatuur etc. Wanneer men de stroomrichting wil omkeren dan heeft men een pomp nodig, een waterpomp in het eerste, en een warmtepomp in het tweede geval. Een koelkast bevat een warmtepomp. Ook warmbloedige levende wezens bezitten zo'n pomp, een ‘entropiepomp’, zei Schrödinger in 1945^2.). Carnot was de eerste die het stromen en pompen van warmte in een fysische theorie trachtte onder te brengen. Hij vergeleek een warmtestroom met een waterstroom maar hij trok de vergelijking te ver door. Carnot dacht namelijk dat warmte even onvergankelijk was als water of welke andere stof dan ook. Mayer, de eerste (1841) die een formulering van de eerste hoofdwet gaf, had reeds gezien dat dit niet waar kon zijn. Clausius deed in 1851 het werk van Carnot nog eens over maar bracht correcties in de zin van Mayer aan. Daarmee legde hij

1.) L. Büchner, Kraft und Stoff, Theodor Thomas, Leipzig 17de druk 1892, blz. 245.

2.) Erwin Schrödinger, What is Life? Cambridge University Press 1945.

[p. 4]

de grondslag voor de thermodynamica. Ook Joule had reeds, in vele experimenten, gezien dat warmte vergankelijk was, d.w.z. omzetbaar was in andere vormen van energie. Al dit feitenmateriaal bracht bij W. Thomson een Aha-Erlebnis teweeg. In 1851 gaf hij zijn eerste (evenals die van Clausius nog onvolledige) formulering van de grondslag van de thermodynamica en in 1852 schreef hij een notitie On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy. De grootheid die deze dissipatie omschreef, werd door Clausius in 1854 in het thermodynamisch formalisme ingevoerd en ontving van hem in 1865 de naam ‘entropie’. In 1868 voorzag hij als consequentie van de tweede hoofdwet (of entropiewet) de warmtedood. Dood betekent het teloorgaan van structuren en Clausius dacht daarbij aan structuren bestaande uit atomen en moleculen. Dissipatie betekende omzetting in warmte-energie, dat is de energie van ordeloos dooréén bewegende atomen en moleculen.

Het idee van de warmtedood rustte dus op twee grondgedachten: ten eerste, de loop der gebeurtenissen in de anorganische natuur gaat steeds in dezelfde richting, die van de entropie-toename - er is een arrow of time zegt men thans - en, ten tweede, de natuur is ‘demonteerbaar’, hij bestaat uit eenheden die men als relatief onafhankelijke bouwstenen mag beschouwen.

Beide grondgedachten waren sterk omstreden en daar kwam nog iets bij: Wat was die Welt van Clausius? Een buitenproportioneel 19de eeuws laboratorium? Of een in wezen onkenbaar en onbeheersbaar systeem? Dat laatste was de mening van o.a.J.H. van der Waals en zijn latere medewerker Ph. Kohnstamm, auteurs van een internationaal bekend leerboek over de thermodynamica. Weliswaar was Van der Waals reeds tijdens het schrijven van zijn dissertatie (1873) overtuigd van het bestaan van atomen, maar hij vond dat de gedachte van een warmtedood slechts kon ontstaan als men die Welt als een louter fysisch systeem opvatte. Deze opvatting nu, aldus de later als godsdienstpsycholoog bekend geworden Kohnstamm, moet men opgeven. De wereld is een eenheid van hogere orde dan die van Clausius. Met andee woorden: God zal een warmtedood niet toelaten.

De materialist Büchner verzette zich eveneens tegen de warmtedood. Büchner moet het gevoel gehad hebben dat de nare consequentie van de entropiewet een soort nestbevuiling was. Immers, hij leefde in een tijd, waarin men de verwachting had dat niet God, maar de natuurwetenschap oplossingen voor alle problemen aanbood. Kraft und Stoff droeg aan die verwachting krachtig bij. En nu kwam, vanuit diezelfde natuurwetenschap, de gedachte van een ondergang op. Is dan, zo vroeg Büchner zich af, het leven, zoals we dat thans kennen, een ééndagsvlieg? Geenszins, zo antwoorde hij zichzelf. Hij verklaarde de entropiewet van toepassing op het heelal en vond een uitweg waarbij hij in feite gebruik maakte van fluctuaties. Laat het zó zijn dat het leven hier afsterft, elders zal het opbloeien, het blijft bewaard.

Een dergelijke uitweg zag Spengler niet. Voor hem was de gedachte aan de warmtedood geen verrassing^3.). Integendeel, hij was kenmerkend voor een tot ondergang gedoemde beschaving. De fysica was voor Spengler een Meisterstück der westeuropäischen Intelligenz maar in de Satz von der Entropie zag hij het begin van de vernietiging van dit Meisterstück: De entropie is een van de Symbole des Niedergangs van het westers denken.

Weer een andere visie had Pierre Duhem. Hij noemde zichzelf ‘religieus positivist’. In zijn jonge jaren was hij een autoriteit op thermodynamisch gebied, later werd hij wetenschapshistoricus, in feite de eerste van dit nieuwe genre. Als thermodynamicus accepteerde hij uiteraard de entropiewet en zijn arrow of time, maar hij keerde de arrow van richting om: de natuur zou niet een toenemende wanorde, maar een toenemende ordening te zien geven. Daarmee dacht Duhem de thermodynamica in het spoor van het thomistisch-aristotelisch denken gebracht te hebben. Dat hij een dergelijke opvatting kon huldigen kwam doordat hij, nog in 1914, het bestaan van atomen loochende^4.). Daarover werd hij door De Broglie stevig gekapitteld.

Alle pogingen om het universum van de warmtedood te redden hebben gefaald, zo stelde Boltzmann in 1886. Boltzmann was een van de wegbereiders van de 20ste eeuwse statistische theorieën. Hij gaf als eerste aan hoe men de atomaire wanorde in wiskundige formules kon vatten en bracht een mathematisch verband tussen entropie en wanorde tot stand. Boltzmann was de belangrijkste 19de eeuwse voorvechter van de atoomhypothese. De ondubbelzinnige vaststelling van het bestaan van atomen volgde in het eerste decennium van de 20ste eeuw.

Een voorwaarde voor het accepteren van de mogelijkheid van een warmtedood was de visie volgens welke de natuur uit losse eenheden (atomen) bestaat. Deze losse eenheden mogen wisselwerkingen hebben - dat hebben ze zeker - maar deze wisselwerkingen zijn a.h.w. stuurloos, structuren zijn het resultaat van toeval. Zij die de warmtedood

3.) O. Spengler, Der Untergang des Abendlandes, O. Beck, München, 2e druk 1920, deel I, blz. 601.

4.) P. Duhem, La Théorie Physique, Son Objet, Sa Structure, Parijs 1914. Engelse vertaling P.P. Wiener, met inleiding van L. de Broglie, Princeton University Press.

[p. 5]

verwerpen, hebben de neiging de wereld als een eenheid, een organisme, te zien.

Degenen die een warmtedood voorzagen, konden niet aangeven wanneer deze zou plaats vinden. Wel begrepen ze dat de mensheid nog vele generaties zou kunnen leven. De discussie was dus tamelijk academisch.

Maar thans zou men de warmtedood opnieuw aan de orde moeten stellen - men doet dat in feite ook - en wel op een veel minder academische manier. Immers, de mens verbruikt snel zijn reserves aan fossiele brandstoffen (olie, gas, steenkool) en geeft de natuur geen kans, om op adem te komen. Door het overhaaste proces van verbranding neemt de entropie op aarde toe. Iets dergelijks geldt voor het verbruik van onze voorraden aan mineralen. Neem bijvoorbeeld de voorraad aan ijzer, opgeslagen in ijzerertsen. Deze voorraad raakt wel uitgeput maar dat betekent niet dat het ijzer nu van de aardbodem verdwenen is. Het ligt overal verspreid in de vorm van roest en het kan niet meer opgezameld worden. Ook hier is de entropie toegenomen. Zo brengt de mens zijn eigen warmtedood naderbij.

De natuur sterft. Theatraal pessimisme? Metafoor voor opgewonden mensen? In de volgende paragrafen zal ik trachten te schetsen welke gedachten men over de natuur had en heeft en welk gebruik men van de natuur wenste en wenst te maken. Daarmee wordt bovenstaande uitspraak ietwat gerelativeerd.

2. Twee visies op de natuur

De 19de eeuwse positivisten, en met name Comte, Mach, Wilhelm Ostwald en ook Duhem, zagen in de toenmalige fysische wereld geen experimenten, waarvan de interpretatie een atoomhypothese verlangde. Heftige discussies werden gevoerd met hen, die wèl het bestaan van atomen accepteerden, in de eerste plaats Boltzmann. Mede door de spanningen die deze discussies bij Boltzmann opriepen, beëindigde hij zijn leven^5.), in 1906.

Volgens de positivisten was een atoomhypothese zelfs schadelijk. Nu had men in die tijd wel recht van spreken: we hebben gezien dat Carnot de warmte-energie als onvergankelijk beschouwde. Dat kwam omdat hij dacht dat er ‘warmte-atomen’ (calorique deeltjes) bestonden. Calorique was als chemisch element, naast elementen als zuurstof, fosfor etc. door Lavoisier in de chemie ingevoerd. Eén van de grote verworvenheden van de chemie sinds Lavoisier was nu juist de vaststelling dat chemische elementen onvergankelijk waren. In hoofdstuk I van zijn Traité élémentaire de Chimie (1789) plaatste Lavoisier zijn calorique atomen in tussen de ‘echte’ atomen, waaruit vaste stoffen en vloeistoffen bestonden^*). Door de grote autoriteit van Lavoisier bleef men daaraan geloven tot na 1830, hoewel oppositie niet uitbleef. Waar bijvoorbeeld, zouden de calorique deeltjes bij het opwekken van wrijvingswarmte vandaan moeten komen, zo vroeg o.a. de beroemde Engelse chemicus Humphrey Davy zich af. En ook Schelling, die over de wrijvingswarmte opmerkte: Der Wilde (Schelling noemt als voorbeeld der Araber) bereitet sich sein Feuer selten anders, twijfelde aan het bestaan van warmte-atomen. Dat was ook het geval met Sadi Carnot in zijn latere jaren. Met het idee van een deeltjes-karakter van licht en electriciteit ging het evenzo. Voor wat licht betreft, men opteerde na de proeven van Fresnel (tussen 1821 en 1827, Fresnels sterfjaar) voor een golfkarakter, terwijl voor wat electriciteit betreft, het idee van een electrisch veld ingang ging vinden, vooral door het werk van Faraday. Geen wonder dat men in brede kring genoeg kreeg van de atoomhypothese. Maar men wilde het kind met het badwater weggooien toen men ging voorstellen (m.n. de Franse chemicus Dumas in 1837) het woord ‘atoom’ uit de wetenschap te verwijderen.

Onkenbare deeltjes die onkenbare bewegingen uitvoerden en toch iets meetbaars als een gasdruk opleverden, de positivisten moesten er niets van hebben. Met die afkeer vonden ze aansluiting bij de Duitse natuurfilosofen die sinds Schellings publicaties enkele tientallen jaren lang veel invloed hadden. Schelling wees in 1797 de atoomhypothese in feite op dezelfde gronden af als de positivisten: er waren geen experimenten ter ondersteuning voorhanden.

De natuur werkte, zo dachten positivisten èn natuurfilosofen, volgens eenvoudige overal herkenbare schema's. Zo beschouwden de positivisten de grootheid ‘energie’ als bij uitstek dié parameter, die in een vruchtbaar concept over de natuur een hoofdrol moest spelen. Naarmate men meer experimenten deed - en de grootheid ‘energie’ is experimenteel toegankelijk - zou dit duidelijker worden. Hier openbaart zich een verschil met de natuurfilosofen: voor de positivist^6.) gaat de natuur boven de geest, voor de natuurfilosoof gaat de geest boven de natuur en dat is, volgens Wilhelm Ostwald, tevens zijn fout: een natuurvorser kan niet het wezen van een kameel uit de diepten van zijn

5.) ‘The Boltzmann equation’, Springer 1973. In: Acta Phys. Austriaca, Suppl. X, band 4, bericht van Boltzmanns zoon, blz. 12 en 13; bericht van E. Broda: ‘Philosophical Biography of L. Boltzmann’, zelfde band, blz. 17-51.
Boltzmanns uitspraak over de warmtedood vindt men in: L. Boltzmann, Theoretical Physics and Philosophical Problems, Reidel, Dordrecht, 1974 blz. 19.

*) Afkoeling betekende verwijdering van de calorique deeltjes.

6.) Wilhelm Ostwald, Vorlesungen über Naturphilosophie, Veit & Co. Leipzig 1902, Inleiding.

[p. 6]

geest construeren. De natuurfilosoof mag op papier een alomvattend principe poneren en hij mag trachten de gehele natuur daarmee te begrijpen, maar zo werkt het niet. Hij zal moeten experimenteren en observeren. De vader van het positivisme, Auguste Comte zei het niet anders^7.), de imagination is ondergeschikt aan de observation, al heeft men een concept nodig volgens hetwelk men observeert.

Nu kan men observeren zoals de veldbioloog, de socioloog of de astronoom dat doen, d.w.z. zonder de gebeurtenissen te (kunnen) beïnvloeden. Of men kan observeren zoals de experimentator in het laboratorium dat doet, d.w.z. door een proefopstelling te bouwen. Hij tracht deze proefopstelling van de buitenwereld af te schermen. Dan brengt hij één verandering teweeg, observeert de reactie daarop die zich in de proefopstelling afspeelt en probeert een kwantitatieve relatie tussen verandering en reactie te vinden. Comte maakte nog niet een scherp onderscheid tussen beide wijzen van observeren. Ook in de laboratoriumpraktijk van die dagen was dat nog niet het geval. Als voorbeeld daarvan kan de bepaling van de soortelijke warmte van een gas dienen, d.w.z. van de hoeveelheid warmte, nodig om een bepaalde hoeveelheid van een gegeven gas één graad in temperatuur te doen stijgen. Hoe moet men die bepaling uitvoeren? Moet het volume van dat gas tijdens de verwarming constant blijven (zodat de gasdruk in dat volume iets oploopt) of moet die gasdruk constant blijven (dan moet men toelaten dat het gasvolume iets toeneemt)? Men lette daar aanvankelijk niet goed op^8.). Dat was te merken aan de resultaten. Die waren niet eenduidig. Toen men beter ging opletten bleek, dat de soortelijke warmte bij constante druk (dus toenemend volume) iets groter was dan die bij constant volume. Robert Mayer schreef, als eerste, het verschil toe aan de mechanische arbeid die het gas bij zijn volumevergroting moest verrichten. Uit dit inzicht kwam de eerste hoofdwet voort.

Het afschermen van een stukje natuur (bijv. een gasvolume), het rigoureus stellen van randvoorwaarden (constante druk of constant volume) en de veelvuldige herhaling van een experiment met als doel voldoende zekerheid voor verder onderzoek, dit alles vormde de grondslag voor de studie van de natuur. Daarbij beoordeelden de positivisten de experimentele gegevens op een andere manier dan bijv. Clausius of Boltzmann. Een positivist zag niets nuttigs in de atoomhypothese. Ook zag hij niets in een a priori uitspraak over eenheid of toekomst van de natuur. A priori betekent hier: ‘niet met experimenten omkleed’. Maar hij geloofde wel in de geschetste grondslag voor de studie van de natuur.

Tot degene die het oneens waren met de gedachte dat men delen van de natuur kan isoleren, althans van elkaar kan afschermen, behoorde ook Goethe. Hoe fulmineerde hij niet tegen Newtons proef, waarin deze een geïsoleerde zonnestraal door een gaatje in de muur van zijn kamer in Cambridge op een prisma liet vallen en daarmee een spectrum zag ontstaan. Eén enkele zonnestraal uit de volheid van de zonnige natuur, zoiets was voor Goethe alleen al dáárom onacceptabel, omdat alle natuurverschijnselen met elkaar in verband stonden.

Goethe had tweeërlei bezwaar tegen een geïsoleerd experiment (Der Versuch als Vermittler von Objekt und Subjekt 1792): Ten eerste, al doet de experimentator nog zo zijn best, hij kan niet anders dan zijn proeven uitvoeren met in zijn achterhoofd een bepaalde verwachting aangaande de uitkomst. Wanneer dit betekent dat een experiment pas zin krijgt wanneer men volgens een concept werkt, dan zullen weinigen het met Goethe oneens zijn. Maar Goethe dacht dat de experimentator, die volgens een bepaalde verwachting experimenteert, onbewust naar een bepaald, door hem gewenst resultaat toewerkt. Doordat er zoveel invloeden van buitenaf zijn - de natuur is immers in principe ondeelbaar - is een exacte reproduceerbaarheid welhaast onmogelijk en hij liep het gevaar de in zijn ogen mooiste uitkomst als representatief voor alle experimenten te beschouwen. Het zou hem kunnen vergaan als de man die een parelsnoer heeft, dit afdekt op de mooiste parel na en dan zegt dat alle parels even mooi zijn als de enig zichtbare. En een bekend slachtoffer van dit zelfbedrog was Newton. Newton had, zo heet het in de Farbenlehre, een bepaald idee over de oorsprong van de spectrale kleuren en dat idee werd, zouden we nu zeggen, een idée fixe.

Goethes tweede bezwaar volgde rechtstreeks uit zijn opvatting over de eenheid van de natuur: alleen reeksen experimenten hebben zin, niet één eindeloos herhaald experiment. Pas de discussie over hun gezamenlijke uitkomsten leidt tot begrip van wat er in de natuur gebeurt. Volgens die richtlijn schreef hij zijn Farbenlechre. Maar zijn betoog had weinig effect. De Farbenlehre werd door de officiële natuurwetenschap slecht ontvangen. Men bleef bij Newton. En daarbij kwam het verwijt dat hij, Goethe, recent ontdekte verschijnselen als de polarisatie van het licht (Malus, Fresnel) en de spectraallijnen in het zonnespectrum (Fraunhofer) niet in zijn Farbenlehre kon thuisbrengen en

7.) Auguste Comte, ‘Plan des Travaux scientifiques nésessaires pour réorganiser la Société’, 1822, in Du Pouvoir spirituel, Livre de Poche 1978, blz. 134.

8.) R. Fox, The Caloric Theory of Gases from Lavoisier to Regnault, Oxford, The Clarendon Press, 1971.

[p. 7]

overigens ook niet begreep.

De Naturphilosophie was geen beter lot beschoren: praatjes zonder experimenten. Justus von Liebig (een organisch-chemisch leerboek zonder vermelding van zijn naam bestaat niet) zou na zijn kennismaking in 1820 met het laboratorium van Gay-Lussac in Parijs verzuchten dat de jaren die hij met de Naturphilosphie doorgebracht had, verloren jaren waren.

Was nu die Naturphilosophie een voor de natuurwetenschappen steriele bezigheid? Dat mag men niet zeggen. De Deen Ørsted was een bewonderaar van Schelling en een ijverig student van de natuurfilosofische geschriften. Op basis daarvan zocht hij heel bewust naar een verband tussen electrische en magnetische verschijnselen. Hij vond een samenhang een daarmee werd hij de grondlegger van een nieuwe fysische discipline, die van het electromagnetisme. Maar ook mensen van een totaal andere signatuur voelden zich tot de Naturphilosophie aangetrokken. Eén van hen was Coleridge^9.). Voor Coleridge als goed natuurfilosoof sprak het vanzelf dat een magnetische noordpool niet kon bestaan zonder een zuidpool, dat positieve electriciteit het bestaan van negatieve electriciteit met zich meebracht. Voor Coleridge waren dit symmetrierelaties die kenmerkend waren voor de wijze waarop de natuur in elkaar zat. Aanvankelijk was zijn vriend Humphrey Davy nogal van deze ideeën gecharmeerd. En evenmin als Coleridge voelde Davy sympathie voor de atoomhypothese. Maar later werd het voor Coleridge duidelijk dat Davy niets anders was dan een experimenteel chemicus die bovendien nog ging geloven aan atomen. Toen was de vriendschap ten einde.

In 1830 gaf Goethe een karakteristiek van zwei Denkweisen, in die sich die wissen-

9.) Trevor H. Levere, ‘Poetry realized in Nature’ (Samuel Taylor Coleridge and early nineteenth-century science), Cambridge University Press 1981.

[p. 8]

schaftliche Welt schon lange trennt^10.). In de ene manier van denken geht (man) aus dem Einzelnen in ein Ganzes, welches zwar vorausgesetzt, aber als nie erkennbar betrachtet wird; in de andere hegt (man) das Ganze im innern Sinne und lebt in der Überzeugung fort, das Einzelne könne daraus nach und nach entwickelt werden. Het ging hier om een discussie tussen Geoffroy St. Hilaire, auteur van Principes de Philosophie Zoologique en zijn opponent, Cuvier. Geoffroy St. Hilaire legde de nadruk op de analogieën die hij tussen de dieren waarnam; hij vond dat de organisatie van het dierenrijk aan een algemeen basisprincipe onderworpen was. Cuvier daarentegen bestudeerde nauwgezet de anatomie van talloze dieren, maar trok geen conclusie over een eventueel grondplan.

Goethe, Erasmus Darwin (de grootvader) en Geoffroy St. Hilaire waren volgens Charles Darwin in de Historical Sketch tot de Origin of Species (1859) de eersten die, omstreeks 1794/5 ideeën hadden over een evolutie van de levende natuur. Lamarck gaf deze ideeën gestalte^11.), voor het eerst in 1801 en hij vooral was het, die volgens Charles Darwin ongelijk had^12.). Lamarck, zo zei Darwin, geloofde in an innate and inevitable tendency towards perfection in all organic beings,.... Darwin moest daar weinig van hebben. De evolutie does not necessarily include progressive development. Voor Darwin was de natuur the agggregate action and product of many natural laws, and by laws the sequence of events ascertained by us. Darwin hechtte veel waarde aan de experimenten van hen die bepaalde kwaliteiten in een diersoort wilden verbeteren, van schapenfokkers, duivenfokkers etc. Stel een duivenfokker wenst een snelle vlieger te ontwikkelen. Zorgvuldig kiest hij een aantal duiven uit en zorgt dat deze geen nakomelingschap van langzaam vliegende duiven krijgen. Bij elke volgende duivengeneratie fokt hij met de snelste duiven verder, m.a.w. hij fokt op basis van een survival of the fastest. Zo werkt volgens Darwin de natuur ook. Maar in de natuur heeft men geen geïsoleerde, geselecteerde dieren en geen fokkers met bepaalde doelstellingen. De enige selectie bestaat uit het afvallen van de zwakste exemplaren. De uitdrukking survival of the fittest (afkomstig van Herbert Spencer) is weliswaar een tautologie, maar wordt, gezien de achtergrond van de theorie, begrijpelijk.

De fokker in Darwins boek doet hetzelfde als de experimentator in het laboratorium, hij isoleert een deel van de natuur - de uitdrukking aggregate wijst reeds op een demonteerbaarheid van Darwins natuur - en hij gaat volgens strikte voorwaarden te werk. Het is daarom niet zo verwonderlijk dat iemand als Boltzmann een groot bewonderaar van Darwin was en een grote affiniteit met hem voelde. Op het eerste gezicht lijkt deze affiniteit misschien vreemd. Immers, Boltzmann zag in de natuur de wanorde steeds toenemen (al nam hij een warmtedood niet direct voor zijn rekening) en Darwin gaf juist een verklaring van de door de evolutie steeds hoger wordende graad van ordening met als voorlopig hoogtepunt de mens. Maar ze hanteerden dezelfde werkwijze t.a.v. de natuur en ze hadden dezelfde afkeer van innate tendencies die een volmaakte natuur moesten bewerkstelligen. Dat soort tendencies waren wetenschappelijk onbruikbaar. Bovendien nam Darwin, zoals we zagen, soms ook wel genoegen met lagere levensvormen in een voortschrijdende evolutie, mits deze lagere levensvormen een oplossing in de strijd om het bestaan boden.

10.) J.W. von Goethe, twee opstellen over de ‘Principes de Philosophie Zoologique’ van Geoffroy St. Hilaire, verschenen in de Jahrbücher für wissenschaftliche Kritik, Berlijn 1830 en 1832.

11.) J.B. Lamarck, Système des animaux sans vertèbres, Parijs 1801; L.J. Jordanova, Lamarck, Oxford University Press 1984 in de serie: Past Masters.

12.) Charles Darwin, The Origin of Species met inleiding van Julian Huxley. Mentor Book, 3de druk 1960. Citaat over Lamarck op blz. 123/124, over retrograde ontwikkeling: blz. 124 en 125, ook 128; over de natuur: blz. 87 e.v. (Hoofdstuk 4).

3. De twintigste eeuw

De eerste helft

Vlak vóór het begin van de 20ste eeuw kwam, via experimenten van J.J. Thomson, vast te staan dat electriciteit een atomair karakter had. Het ‘electrische atoom’, het electron, was het eerste elementaire deeltje. Er zouden er nog vele ontdekt worden. In het eerste decennium van deze eeuw werd, door het werk van Jean Perrin, en van Einstein, het bestaan van atomen ondubbelzinnig bewezen. Al heel gauw werd toen de structuur van het atoom onderwerp van studie. Verder werden, met de zekerheid van het bestaan van atomen in het achterhoofd, de statistische beschouwingen waarover men sinds Boltzmann en sinds Gibbs (Amerikaans fysicus die in 1901 een verhandeling over de statistische thermodynamica publiceerde, die nog steeds wordt gebruikt) beschikte, sterk uitgebreid.

De ‘ideale’ wijze van het bestuderen van de natuur was pas nu bereikt: de atomen waren niet alleen eenheden, die men kon isoleren ten behoeve van een doeltreffende bestudering, maar ze waren ook de werkelijke bouwstenen van de natuur. De ‘holisten’ (ik plaats aanhalingstekens omdat het woord omstreeks 1900 niet in zwang was) hadden de strijd verloren.

Planck introduceerde in 1901 de quantumtheorie. Hiermee stelde hij het golfkarakter van licht ter discussie, een golfkarakter waarvan de wetenschappelijke wereld sinds Fresnel rotsvast overtuigd was. Maar

[p. 9]

er waren verschijnselen in het laboratorium waargenomen, die alleen maar konden worden begrepen op grond van ‘lichtpakketjes’, lichtquanta of fotonen, en niet op grond van lichtgolven zonder meer. Spoedig bleek dat de quantumtheorie ook toegepast kon worden op atoomtrillingen. Met behulp van de quantumtheorie waren toen Einstein (1907) en Debye (1912) in staat om de derde hoofdwet van de thermodynamica te bewijzen. Deze wet zegt dat de entropie van veel stoffen tot nul nadert als men de temperatuur tot bij het absolute nulpunt laat dalen.

Na de introductie van het Rutherford (1911)-Bohr (1913) atoommodel, waarin wederom de quantumtheorie een essentiële rol vervulde, en na de verdere ontplooiing van deze theorie in de jaren twintig werden ook de statistische beschouwingen aangepast. Evenals bij Boltzmann en bij Gibbs stond daarbij de individualiteit van de atomen voorop en kwam hun wisselwerking op de tweede plaats. Daarbij kwam dan nu de door de quantumtheorie gedicteerde beperking van de statistische mogelijkheden tot een in principe aftelbaar aantal manieren waarop een samenstel van atomen zich kan manifesteren. Men kan deze situatie enigermate vergelijken met die van een voetbalterrein, waarop men een bal vrijelijk overal heen kan trappen. Dan vervangt men dit terrein door een groot schaakbord met hetzelfde totaal-oppervlak. We veronachtzamen het verschil tussen zwarte en witte velden. Een bal heeft nu 64 mogelijkheden. Dat is nú het dictaat van onze ‘quantumtheorie’. Nu gooit men een tweede bal op het schaakbord en verordonneert dat die niet op hetzelfde veld als de eerste bal mag komen. In totaal zijn er nu 64 x 63 verschillende situaties. Als nu de tweede bal niet onderscheiden kan worden van de eerste (zelfde merk, zelfde kleur etc.) dan kan men dit aantal nog door twee delen. Immers, de eerste bal op veld b3 en de tweede op veld f6 is dezelfde situatie als de twééde bal op b3 en de éérste op f6. Dit is het soort overwegingen dat in de statistische beschouwingen een rol speelt.

De keuze: begin met een aantal onafhankelijke individuen - in ons voorbeeld hadden we twee onafhankelijke individuen - en kijk daarna welke relaties die individuen hebben - bijv. aanééngebonden met een stuk elastiek - was typerend voor de eerste helft van onze eeuw. Collectieve verschijnselen, zoals moleculaire bewegingen in vloeistoffen, waren te moeilijk. Ze vallen pas nu in de categorie oplosbare problemen. Ook de studie van vaste stoffen was nog in een pril stadium. Ook hier ontbraken de juiste methoden om deze collectieve systemen te behandelen. Eén uitzondering was er: de meeste vaste stoffen zijn gekristalliseerd, d.w.z. hun atomen zitten gerangschikt volgens bepaalde patronen. En deze rangschikking nu kon men vinden door op een kristal een bundel monochromatisch Röntgenlicht (d.w.z. Rö. licht van één golflengte) te laten vallen en te kijken in welke richtingen het kristal dit Röntgenlicht verstrooide. Von Laue (1912) en vader en zoon Bragg (eveneens 1912) waren de uitvinders van deze methode. Deze ontwikkeling was een enorme doorbraak. Voor het eerst kon men, in een gekristalliseerde stof, precies de plaatsen van de atomen aanwijzen. Er was onmiddellijk geweldig veel werk aan de winkel want er bestaan zeer veel verschillende kristalstructuren. Zo kent men alleen al van ijs niet minder dan negen structuren. Er was echter één groot nadeel: men moest een kristal van minstens enkele kubieke millimeters kunnen maken. Dat lukte vaak niet. Debye (1916) vond, met Scherrer, een oplossing voor dit probleem, die karakteristiek voor die tijd was. Het bleek namelijk dat men kon volstaan met kristalgruis, zeer kleine, ordeloos door elkaar liggende kristalletjes. Weliswaar gooide men met de Debye-Scherrer (kristalgruis)-methode wat informatie weg, maar de kristalanalyse maakte op slag grote vorderingen en dat was te danken aan de keuze voor een methode, waarin vele onafhankelijke eenheden, n.l. kleine kristalletjes, gebruikt werden.

De tweede helft

In de tweede helft van de 20ste eeuw ging de belangstelling in de natuurwetenschappen veranderen. Men kreeg meer oog voor de ordeningen die, op moleculair en atomair niveau, alom in de natuur voorkwamen. In de loop van de laatste anderhalve eeuw waren de experimenteertechnieken steeds verder verfijnd en waren de wetenschappelijke inzichten steeds verder verdiept. Daardoor kon men de materie tot op steeds kleinere dimensies bestuderen. Na 1945 was men in de wereld van de moleculaire en atomaire dimensies aangekomen en er ging een generatie onderzoekers ontstaan die zich niet meer tevreden stelde met de globale informatie, die de statistische theorieën boden, maar die probeerde de avonturen van elk individueel atoom en elk individueel electron te volgen. Ik noem enkele voorbeelden:

De chips, waarvan de toepassingen ons dagelijks leven steeds meer gaan beheersen, zijn met hun microscopische afmetingen ingenieuze bouwwerken waarin welhaast elk atoom een specifieke rol vervult. In wezen

[p. 10]

heeft men te maken met een stukje siliciumkristal waarin men met sluwe manipulaties (zie verder) op nauwkeurig bepaalde plaatsen vreemde atomen heeft neergezet. Door middel daarvan worden electronen langs bepaalde wegen gestuurd, of juist tegengehouden, en hiermee worden de electrische signalen verkregen waarom het de chipmaker en zijn opdracht te doen is. De vreemde atomen, waarvan zojuist sprake was, worden als projectielen in het siliciumkristal geschoten. Kenmerkend voor een projectiel is dat het een bepaalde snelheid en een bepaalde richting heeft. Voorwaarde is dan de afwezigheid van obstakels, d.w.z. gasmoleculen, op zijn baan. Het projectiel moet zich daarom, na ‘afschieten’, door een luchtledige ruimte bewegen. Nu kan men sinds Torricelli (1643) luchtledige ruimten maken, maar de kwaliteit van het vacuüm van Torricelli is lang niet goed genoeg. Met de huidige vacuümtechniek is men in staat, luchtledige ruimten te maken van een betere kwaliteit dan die in de ruimte waarin onze aardsatellieten ronddraaien. Het probleem van het maken van meterslange bundels van atomaire projectielen is thans geheel opgelost. Dergelijke bundels kan men ook voor andere doeleinden gebruiken dan het hier geschetste. Men kan bijv. twee (bundels van) projectielen op elkaar afschieten en zien wat de botsingen opleveren. Ongewone, leerzame, chemische reacties zijn het gevolg. Dit (botsings-)werk is een nieuwe subdiscipline. Maar Debye zei in 1960: ‘Nooit aan beginnen. Levert niks op. Wordt nooit wat.’

Debye was een representant van de eerste helft van deze eeuw. Hij dacht niet in termen van atomen waarvan men snelheid en richting precies kende.

Een ander voorbeeld van ordeningen waarin elk atoom zijn eigen specifieke rol speelt, is dat van de moleculaire biologie en zijn toepassingen, de biotechnologie, de genentechnologie. De moleculaire biologie werd geboren in 1953 met de opheldering van de structuur van het DNA molecuul, de beroemde ‘double helix’, door Watson en Crick. Deze opheldering veroorzaakte een ‘explosion in biochemistry’, schreef Lawrence Bragg (de zoon) in 1967^13.). Vóór 1953 bestond een DNA molecuul uit een brij van aminozuren. De explosie, waarvan Bragg sprak, is nog lang niet uitgewerkt. Integendeel, zou men kunnen zeggen. Het is te hopen dat men tot mondiale, niet regionaal-Europese of regionaal-Amerikaanse, afspraken kan komen om misbruik van bijv. de genentechnologie tegen te gaan.

In deze twee voorbeelden wordt de tweede hoofdwet getrotseerd. Deze wet herneemt zijn ‘rechten’ als men de temperatuur verhoogt. Gaat men onverhoopt een chip smelten, dan is dat een ramp: alle atomen gaan dan ordeloos dooréén bewegen. Een temperatuurverhoging in de biotechnologie betekent dat men soep gaat koken.

Geraffineerde bouwwerken op atomaire schaal vormen een belangrijk thema in de natuurwetenschap van de tweede helft van deze eeuw en ze zullen dat ook in de volgende eeuw blijven. Daar komt bij dat deze ontwikkeling reeds heeft geleid tot technologieën die ons dagelijks leven diepgaand beïnvloeden. Onze maatschappij is overdekt met een netwerk van structuren, verwezenlijkt met behulp van halfgeleiderschakelingen, chips dus. Zonder dat netwerk kunnen we, naar het schijnt, niet bestuurd worden, kunnen we onze geldzaken niet regelen, kunnen we niets produceren, en kunnen we ons niet meer verplaatsen. Die laatste onmogelijkheid lijkt overdreven, maar toch, in het begin van de eeuw met een ruim spoorwegnet en stoomtractie, kon een trein uit Groningen wegrijden al was er ergens bij Franeker averij. Thans, met een krap spoorwegnet en electrische tractie, is elke averij door het halve land voelbaar. En als men de stroom uitschakelt, rijdt er niets meer. Geen wonder dat de auto zo'n aantrekkingskracht heeft. Daarin voelt men zich nog tot zijn recht komen als onafhankelijk individu. Men kan nutteloze reizen naar verre landen maken en men heeft het er voor over om uren lang in een file voort te kruipen.

Kerkelijke banden zijn vervangen door technologisch-economische banden. Het moderne vrijheidsgevoel laat niet toe dat een bepaalde geestelijke stroming dominant wordt. De herleving van de Naturphilosophie in de vorm van het holisme en tot uiting komend in de boeken van een Capra of een Zukav, beschouw ik niet als maatgevend voor een dominante geestelijke stroming.

13.) James D. Watson, The Double Helix, Weidenfeld & Nicolson, London, 1968. Met voorwoord van Lawrence Bragg.

4. Metaforen

Tegenover de ordende activiteiten van de mens staat de dreiging van de warmtedood in zijn 20ste eeuwse gedaante: de milieuvervuiling. Enerzijds modificeert en reconstrueert de mens de natuur, anderzijds laat hij de natuur de prijs betalen en wel in de vorm van rommel. Zijn activiteiten lijken op die van de entropiepomp van Schrödinger. Ik heb deze pomp in paragraaf 1 slechts als ‘waterpomp’ laten werken. Maar dat is te beperkt. De entropiepomp dient om het biologisch leven in stand te houden. Bouw en onderhoud van de moleculaire structuren waaruit

[p. 11]

levende wezens bestaan, gaan ten koste van de vorming van afval. In de plantenwereld is de koolzuurassimilatie, waarvoor zonnestraling onontbeerlijk is, een belangrijke ordende factor. De gehele natuur blijft in stand door de pompwerking en door de zonnestraling. Daar kwam, zeg 6000 jaar geleden, de invloed van de mens bij. Hij versterkte de pompwerking. Gedurende de laatste tientallen jaren gebeurde dat in zo'n hevige mate dat de natuur in het ongerede geraakte. De wanorde dreigde het te gaan winnen, de geordendheden zijn omstreden. Het woord ‘wanorde’ slaat hier nu niet meer alleen op een verhoogde waarde van de entropie in strikt fysische zin, maar ook op gevolgen als de verwoestijning van goed bouwland, op het gat in de ozonlaag, op het gebrek aan leefmogelijkheden in veel derde-wereldlanden en weldra ook bij ons. De omstreden geordendheden zijn ook niet (louter) van fysisch-chemische aard, maar slaan tevens op de schijnbaar onstuitbare manier waarop ons leven wordt ingericht, op de Big Brother is watching you manier. Daarmee krijgt het woord ‘pomp’ een metafoor-karakter.

Gaat dit blindelings door? Of kan de mens nog wat aan de pompwerking veranderen? Ik probeer het laatste te geloven. Dat geloof relativeer ik onmiddellijk. Niet ‘de mens’, maar vele mensen tegelijk zitten aan de pomp te hannesen. Het resultaat is dan toch weer blindheid. Maar misschien ben ik te pessimistisch en mag men iemand als Lamarck, die immers aan de natuur een aangeboren neiging tot volmaaktheid toeschreef, een heel klein beetje gelijk geven.