Streven. Jaargang 13

[p. 60]

Wetenschappelijke kroniek
Dr. P. De Ceuster
Antimaterie

ANTIMATERIE is een weerbarstig begrip. Hoe we het ook willen omschrijven, steeds moeten we een beroep doen op modellen waarvoor onze verbeelding te kort schiet. Zoals haar naam zelf suggereert, is antimaterie precies het tegenovergestelde van wat wij onder materie verstaan, doch daardoor wordt haar wezen nog niet veel duidelijker. We kunnen zeggen: het is materie die zich tegenstrooms beweegt in de vierde dimensie, die m.a.w. tegen de tijdas opklimt: volgens ons tijdsbegrip wordt zij steeds jonger naarmate wij ouder worden. Of anders: het is een materie waarvoor de wetten van de massa in omgekeerde zin gelden: stoten wij ze van ons af, dan komt ze naar ons toe; halen wij ze naar ons toe, dan gaat ze van ons weg. Of is het duidelijker als we zeggen, dat antimaterie bestaat uit gaten in de ether, of beter nog - want ook de ether is een begrip waar we zuinig mee moeten omspringen - uit gaten in het heelal? Hoe mysterieus ons dit ook moge voorkomen, hoezeer haar wezen ons ook steeds weer als een dwaallicht, ontglipt, in ieder geval is de antimaterie een werkelijkheid die niet langer weg te denken of te verwaarlozen is in de nieuwe atoomwetenschap.

Het concept is voortgesproten uit een zuiver wiskundige vergelijking. Dit is niets nieuws. Wanneer we ons bezinnen over het wezen van de stof zelf, dan wordt het ons al gauw duidelijk hoe weinig we er eigenlijk van af weten, buiten de vergelijkingen welke de wiskundige uitdrukking vormen van de wetten die haar gedrag beheersen. Willen wij ons van om het even wat in de materie een voorstelling vormen, dan zijn we meestal aangewezen op figuren die niet veel méér zijn dan symbolen; alleen de wiskundige formule geeft dan nog een houvast. Men begint het de wetenschap zelfs kwalijk te nemen dat zij haar onmacht erkent om de stof concreet uit te beelden en zich terugtrekt binnen de perken der meer abstracte wiskunde. Is dit dan zo erg? In de natuurkunde volgt het beeld vaak uit de wiskundige vergelijking. Vroeger kon de stof ingedeeld worden in massa en elektromagnetische trillingen. Wat weten we echter precies wanneer we zeggen: ‘Hilversum zendt uit op golflengte 402’? Zijn dit golven? Misschien. Het enige wat we met zekerheid weten, is dat het verschijnsel van de radio-uitzending wiskundig kan uitgedrukt worden met de formule die ook toepasselijk is op dingen waarvan we pertinent weten dat het trillingen zijn, b.v. op de trillingen van een stemvork. Voor de rest tasten we nagenoeg in het duister. Alleen de amplitude die de sterkte van de trilling aangeeft, is reëel. Wát er trilt, weten we niet.

Sinds Einstein weten we dat deze zogenaamde elektromagnetische trillingen ook massa hebben. Welke zijn de afmetingen van dit soort massa? Eenvoudig onvoorstelbaar. Doch ook het atoom, dat van ouds als elementaire massa aangezien werd, is onvoorstelbaar geworden. Evenmin als het atomium op de Brusselse Wereldtentoonstelling ons een juist beeld geeft van een molecule (want als atoom heeft het helemaal geen betekenis), evenmin kwam de voorstelling van

[p. 61]

een zuurstofatoom, zoals we dit zagen bij het binnentreden in het Paleis der Wetenschappen, met de werkelijkheid overeen. We zagen daar een kern met draaiende elektronen er omheen. Het was slechts een symbool. Niemand weet hoe een elektron er uit ziet, noch hoe we ons een atoom moeten voorstellen. In 1913 dacht men een ogenblik het te kunnen, toen Rutherford en Bohr ons het steeds populaire en didactische beeld toonden van een kern met cirkelende elektronen er omheen. Doch de consequenties uit deze voorstelling faalden. Om het gedrag van de elektronen te kunnen verklaren werd de voorstelling hoe langer hoe ingewikkelder. De cirkels werden ellipsen, de ellipsen werden kluwens en in 1926 gaf men het definitief op. In de plaats van de elektronenbanen kwamen zuiver wiskundige vergelijkingen.

Daarmee blijft het een vraag, wat de elektronen rond de kern precies ‘doen’ of waar ze juist ‘zijn’. Zoals de vos, voor wie de druiven te zuur waren, zeggen we dan maar dat deze voorstelling ons helemaal niet interesseert en dat we best verder kunnen mits we maar weten hoeveel energie ze rond de kern meedragen. En dit zijn we nu precies te weten gekomen en het kan heel juist in een wiskundige vergelijking weergegeven worden.

Willen we ons het atoom toch enigszins voorstellen - deze drang van het menselijk intellect is te sterk om eraan te weerstaan - dan kunnen we alleen nog met analogieën werken. Stellen we ons het atoom als een amfitheater voor, dan neemt de atoomkern het centrum van dit amfitheater in en de elektronen staan op de treden geschaard. Hun potentiële energie wordt dan volledig bepaald door de hoogte van die treden. Wiskundig kunnen de verschillende hoogten dezer treden nauwkeurig berekend worden, en dit stelt ons in staat, te spreken van welbepaalde, discrete energie-niveaus.

Met deze wiskundige formules komt echter nog iets anders om de hoek kijken. Formules van de hogere graad geven altijd verschillende oplossingen, positieve en negatieve. Het is echter een oude gewoonte, de negatieve oplossingen als zuiver imaginair of zelfs absurd te verwerpen. Veronderstel dat we, met behulp van ingewikkelde probabiliteitsberekeningen, als resultaat voor het bevolkingscijfer in het jaar tweeduizend zouden krijgen: plus vijf miljard of min vijf miljard mensen; in dat geval kunnen we de tweede oplossing gerust als absurd terzijde schuiven. Waar het echter natuurkundige verschijnselen geldt, heeft men reeds meer dan eens ondervonden dat een negatieve waarde een natuurkundige werkelijkheid kan zijn, die soms eerst als onmogelijk verworpen en later toch experimenteel kon aangetoond worden. En dit is nu juist het geval in de atoomwetenschap. Volgens de wiskundige vergelijking blijken ook elektronen met negatieve energie mogelijk. In onze voorstelling komt dit hierop neer, dat we de treden van ons amfitheater diep onder de grond moeten doortrekken.

In de natuurkunde is er nog een andere algemene wet: ‘Alles valt’. Waarom vallen die elektronen uit de positieve niveaus niet in de laagste, dus van boven de grond tot onder de grond? Waarom merken we nooit iets van die negatieve energie-niveaus? Er is maar één antwoord: alle plaatsen met negatieve energie in de ons omringende wereld zijn bezet. Was er ergens een plaats vrij, dan viel een elektron uit de positieve niveaus er ogenblikkelijk in. Dat echter alles volbezet is, merken wij niet, omdat wij alleen in staat zijn, verschillen te zien. Als alles blauw was, zouden wij niet eens weten wat kleur is; als alles precies even blauw was, zouden wij gewoon niets zien. Indien alles trilde op dezelfde frequentie en amplitude, zouden we helemaal niets horen, en als alles precies even warm was,

[p. 62]

zouden we het begrip warmte niet kennen. Wij nemen alleen verschillen waar. Indien ook op de bovenste niveaus alle plaatsen bezet waren, zouden we het bestaan van elektronen niet eens vermoeden.

Het heeft iets spookachtigs: in het gebied van de stilte rond de kern zijn alle negatieve plaatsen bezet door elektronen. Het is een soort van lage-temperatuurgebied waar de voltallige elektronen Siberisch op hun plaats vastgevroren zitten. Doch hiermede zijn we nog niet helemaal bij de antimaterie.

Heel diep in hun negatieve energie-niveaus vastgevroren, kunnen de elektronen er op eigen kracht niet uit. Er is een zeer grote energie nodig om ze uit deze diepe put te halen. Wordt deze energie op een of andere wijze ter beschikking gesteld, dan komt het elektron in de bovenwereld, het wordt zichtbaar, kan met behulp van zeer gevoelige instrumenten waargenomen worden. In de ‘onderwereld’ nu is er een diepe plaats vrij, een gat. En, wat voor ons betoog van het grootste belang is, dit gat gedraagt zich precies als ware het een elektron met omgekeerde eigenschappen. Brengen we het in een elektrisch veld, dan buigt het verkeerd af en wordt aangetrokken door de negatieve pool. Het heeft m.a.w. negatieve massa: het komt naar ons toe wanneer we het afduwen; of, volgens de relativiteitsleer van Einstein, voor de negatieve massa's loopt de tijd terug. Dit gat in de ether is de antimaterie. Het best wordt het voorgesteld als een elektron met positieve lading: een positron.

Men kan dit alles geamuseerd lezen en de schouders ophalen. Wie zou ooit zoiets kunnen bewijzen, laat staan aantonen? De geleerden zijn fantasten! Doch vergt er iets ter wereld méér verbeeldingskracht dan het doordringen tot de diepste geheimen van de materie? En de verbeelding der geleerden is geen losgeslagen fantasie, maar een die streng logisch voortbouwt op een stevige, rigoureus wiskundige ondergrond.

Laten we niet vergeten dat dit alles voorspeld en berekend werd vóór het eerste antimateriedeeltje, het positron, kon aangetoond worden. In 1929 leidde Dirac het bestaan van elektronen met negatieve energie af uit de zo pas in 1926 gepubliceerde quantummechanica, een zuiver wiskundige aangelegenheid, en hij voorspelde de ontdekking van positronen, als gaten in de ether, wanneer men erin zou slagen deze elektronen uit hun negatieve energietoestand te lichten. In 1933 ontdekte Anderson het eerste positron in de kosmische stralen. Doch er is meer. Op een zeer eenvoudige wijze had Dirac berekend hoeveel energie er nodig is om een elektron uit de negatieve toestand te lichten en een gat, het positron, over te laten: precies 1,02 miljoen volt. Joliot en Curie stuurden nu γ-stralen van deze energie op een stukje lood af en de twee deeltjes kwamen te voorschijn: het negatieve elektron, dat uit de put gehaald werd, en het positieve elektron, dat als ledige plaats overbleef. Nog verder ging het. Ook voor een zeer zwaar elektron, een meson, dat eveneens eerst voorspeld en daarna in de kosmische stralen gevonden werd, kon de energie die nodig is om het uit zijn negatieve niveaus te krijgen, berekend worden: 400 miljoen volt. In de laatste jaren zijn er kosmotronen gebouwd die deze energie ter beschikking kunnen stellen en de twee mesonen op het scherm te voorschijn brengen: het negatieve, en de anti-materievorm: het positieve meson. Doch de verzameling was nog niet volledig. De meest essentiële en tevens eenvoudigste materievorm, welke in alle atoomsoorten voorkomt, is de waterstofkern, het proton, dat in zijn natuurlijke toestand op onze aarde positief geladen is. Ook hier, evenals bij elektronen en mesonen, zijn de negatieve energieniveaus volbezet en bij 6.000 miljoen volt zou,

[p. 63]

op geheel analoge wijze, het antiproton moeten verschijnen, dat hier dan een negatieve lading zou bezitten. Het duurde tot 1957 voor de geweldige apparaten ook deze verschrikkelijke energie konden leveren, doch bij 6.000 miljoen volt verscheen het antiproton prompt op het appèl.

Wanneer een theorie feiten voorspelt die later inderdaad geconstateerd worden, is er weinig kans dat ze fundamenteel verkeerd is, hoe gewaagd ze ook moge schijnen. Alleen de voorstelling ervan blijft ons voor het hoofd stoten. Nooit kunnen wij ons de wetenschappelijke werkelijkheid helemaal juist voorstellen, nooit kunnen wij m.a.w. de microwereld zo exact weergeven in een macromodel, dat wij er a.h.w. een foto van zouden bezitten. Doch wat in die zin tot nog toe ondernomen werd, gaf ons dan toch een vrij aanschouwelijk beeld. Van de antimaterie echter kunnen wij ons helemaal geen beeld meer vormen dat nog enigszins zou bevredigen: zij verbreekt de banden waarbinnen de fantasie redelijkerwijze in toom gehouden kan worden.

Wanneer we nu logisch doordenken, komen we tot belangrijke conclusies. Daar is eerst en vooral de omzetting van materie in energie en omgekeerd. Strikt genomen blijft materie steeds materie en energie steeds energie, doch iedereen weet nu wel ongeveer wat met deze formule bedoeld wordt. Wordt een elektron uit de negatieve energieniveaus gelicht, dan blijft er, zoals we zeiden, een gat over: het positron. Zo gauw het enigszins mogelijk is, valt een elektron uit de positieve niveaus in dit gat. Het elektron is dan schijnbaar verdwenen en het gat eveneens. Het is alsof én materie én antimaterie volledig zijn verdwenen. Duidelijker kunnen wij dit ook zo uitdrukken: wanneer een elektron op een positron botst, vernietigen ze elkaar. In de plaats daarvan komt energie vrij onder de vorm van een radio-actieve straal, een γ-straal. Joliot en Curie toonden dit proefondervindelijk aan en daarmee werd voor het eerst massa volledig omgezet in energie. Dematerialisatie noemt men dit, zoals het te voorschijn treden van een elektron-positron-paar materialisatie genoemd wordt. Niet zonder reden noemden we dit hele bedrijf spookachtig. Materialisatie en dematerialisatie kennen we immers van ouds uit het spiritistische jargon.

Wat het op energetisch gebied betekent, is nog opmerkelijker. In een atoombom of atoomreactor wordt slechts één per duizend van de massa in energie omgezet. In de zuivere waterstofbom, een half procent. Hier echter is het rendement honderd procent. Alleen moeten we er vooralsnog niet aan denken, deze geweldige sluimerende energie op deze wijze te benuttigen, zij het vreedzaam of oorlogszuchtig. Antimaterie ligt niet ter beschikking zoals uranium of waterstof. Ze zit diep verscholen in de onderwereld der atomen, en daar nog slechts potentieel. Ze eruit los maken kost ten minste evenveel energie als ze achteraf door fusie weer zou vrijgeven. Wat zouden we hebben aan een kolenmijn indien het ophalen van iedere kilogram steenkool evenveel energie zou vergen als deze hoeveelheid door verbranding geven zou? Is het echter uitgesloten dat antimaterie ook elders zou voorkomen? Misschien niet.

In 1908 werd in Noord-Siberië een verschijnsel waargenomen waarvan de oorzaak tot nog toe onopgehelderd bleef. In de buurt van dit schaars bewoond gebied hadden de bewoners een knal gehoord en later bleek dat honderden vierkante mijlen bosland verwoest lagen. Kilometers ver lagen alle bomen afgebroken ter aarde, straalsgewijze van uit een centraal punt. Men heeft dit verschijnsel steeds willen verklaren door een meteoorinslag, maar een meteoor die tot een

[p. 64]

dergelijke verwoesting in staat is zou een reusachtige kolk moeten achterlaten. Later heeft men dan wel gedacht aan een kernomzetting, maar dit is zeer onwaarschijnlijk, gezien de voorwaarden hiertoe veel te streng zijn. Nu denkt men aan antimaterie. Een stukje meteoor uit antimaterie opgebouwd, zou in contact met de lucht of de aarde moeten verdwijnen tot zuivere energie en zou zeker in staat zijn tot zulk een grote verwoesting, ofschoon bij nader toezicht ook deze veronderstelling niet helemaal voldoet. Een dergelijke materie-antimateriefusie zou een temperatuur van enkele miljarden graden opwekken en zou alleszins een gesmolten aardzone achterlaten.

In ieder geval doet dit de vraag rijzen naar het bestaan van hemellichamen, opgebouwd uit antimaterie, d.w.z. uit atomen waarvan de kernen antiprotonen en antineutronen zouden bevatten en de elektronen vervangen zijn door positronen. Met deze hypothese blijven we steeds aan de veilige kant. Er is immers toch geen enkel verschijnsel bekend dat ons in staat stelt om van een ster te weten te komen of ze uit materie of antimaterie bestaat. Van sterren nemen we enkel de straling waar en deze zou van uit gloeiende antimaterie juist dezelfde zijn als van uit de ons vertrouwde materie. Bij een ruimtelanding zou men het onmiddellijk weten, doch enkel de gruwelijke straling welke de fusie van ruimtevaarder en antimaterie uitzendt, zou in de aardse telescopen misschien iets kunnen vertellen van wat er bij de landing is geschied.

Toen onlangs in Amerika de mogelijkheid van antimateriële hemellichamen werd geopperd, bekoelde meteen de geestdrift van de amateur-ruimtevaarders. Zo erg zal het evenwel niet zijn, en op sterren wordt er zeker niet geland. Maar wat, indien er ook kleine meteorieten uit antimaterie bestaan? Een zeer kleine meteoriet uit de ons vertrouwde materie zal een ruimtevaartuig bezwaarlijk enige noemenswaardige schade toebrengen; doch indien een meteorietsteentje van slechts één milligram uit antimaterie in botsing zou komen met een ruimteschip, dan zou het effect gelijk staan met dat van een bommetje van een halve kilogram dat er tegenaan zou gegooid worden.

Hiermede zijn we weer in het rijk der veronderstellingen beland. Maar toch. Hoe relatief dit alles is en volkomen onvoorstelbaar, hoe onjuist onze vergelijking met trappen van een amfitheater, zelfs van onze energie-niveaus, blijkt hieruit dat het hele geval, van uit deze antimateriële hemellichamen bekeken, precies andersom is. Daar zou men zeggen dat onze energie-niveaus verkeerd zijn, dat onze negatieve elektronen en positieve protonen slechts gaten betekenen in het heelal en dat hun omgekeerde materie de ware is. Ze zouden het met evenveel recht zeggen: het is immers maar een kwestie van standpunt.

Uit dit alles kunnen we leren hoe de fundamenten van de zogenaamde positieve wetenschap relatiever worden en de visie er op transcendenter en wat een berg van onbekenden moet overwonnen worden alvorens ergens op een top weer een klaar overzicht van dit gebied mogelijk worden zal. Indien het nog ooit tot een vereenvoudiging komt.