Streven. Jaargang 13

[p. 142]

Wetenschappelijke kroniek
A. Ziggelaar S.J.
‘De natuur is links’....?

VAN tijd tot tijd duiken uit de natuurwetenschap verbijsterende ontdekkingen of theorieën op, die in strijd lijken met het gezond verstand of onze dagelijkse ervaring en toch - naar de geleerden zeggen - heel zeker zijn. Wij zijn daar langzamerhand aan gewend geraakt, en het heeft tot nog toe dan ook betrekkelijk weinig opzien gebaard, dat bijna drie jaar geleden de natuurkundigen met de verwonderlijke ontdekking voor de dag kwamen, dat de natuur asymmetrisch is, of, nog opvallender uitgedrukt, dat de natuur links is. Als men bovendien weet, dat de fysici ditzelfde formuleren als het doorbreken van de wet van het behoud van pariteit, voelt men zich geconfronteerd met een nieuw geval van natuurwetenschappelijke orakeltaal. Misschien wordt ook deze orakelspreuk nog eens gemeengoed, en voor het zover komt, willen wij proberen nu reeds enige inhoud en zin erin te vinden.

Behoudswetten

De wet van het behoud van pariteit werd enige jaren geleden opgesteld als hypothese in de hoop, dat deze na experimentele bevestiging een plaats zou veroveren naast de wetten van het behoud van energie (en massa), van impuls en impulsmoment. Deze behoudswetten staan bij de natuurkundigen in hoge ere, want ze gelden zo algemeen, dat er nog nooit één uitzondering op aangetroffen is; men hoopte, dat de nieuwe wet van het behoud van pariteit even eenvoudig zou blijken te zijn.

De eerstgenoemde wetten zeggen, dat binnen een gesloten systeem de hoeveelheden van resp. energie en massa, van impuls en van impulsmoment onveranderd blijven. Onder impuls verstaat men gewoonlijk het produkt van de massa (het gewicht) en de snelheid van de rechtlijnige beweging van een lichaam. Impulsmoment is een dergelijke maat voor de beweging van een ronddraaiend lichaam. Een gesloten systeem is een fysisch samenstel, dat vrij is van fysische inwerking van buiten. Een belangrijke toepassing hiervan is, dat in heel het universum de hoeveelheid energie en massa, en de hoeveelheden impuls en impulsmoment onveranderlijk zijn.

Een verstekeling opgespoord: het neutrino

Kan men nu ook iets doen met deze wetten? Een treffend antwoord op deze vraag levert het ontdekkingsverhaal van het neutrino. Er zijn stoffen die radioactieve stralen uitzenden in de vorm van elektronen (β-stralen). Bij nader onderzoek bleek, dat deze elektronen uit de moederkernen werden weggeslingerd met (binnen bepaalde grenzen) alle mogelijke verschillende snelheden, en dus verschillende energie. Van de andere kant weet men, dat de achtergebleven kern, de dochterkern, na de uitzending altijd in een en dezelfde toestand terugvalt,

[p. 143]

dus na de straling altijd dezelfde energie over heeft. Hier is blijkbaar de energiebalans gestoord: het systeem kern + elektron heeft na het proces in het ene geval meer energie dan in het andere, ofschoon we hier met gesloten systemen te doen hebben:

Energie van dochterkern + grote energie van elektron
Totaal: veel energie.

Zelfde energie van dochterkern + geringe energie van elektron
Totaal: weinig energie.

Dus moet men de algemene geldigheid van de energiewet opgeven, of.... de wet redden door het bestaan aan te nemen van een onmerkbaar deeltje, dat zoveel energie meeneemt, dat de balans in evenwicht blijft:

Energie van dochterkern + grote energie van elektron + geringe energie van derde deeltje
Totaal:

Zelfde energie van dochterkern + geringe energie van elektron + grote energie van derde deeltje
zelfde energie

De Oostenrijker Wolfgang Pauli durfde in 1931 deze onwaarschijnlijke aanname aan. Het hypothetische deeltje noemde men neutrino. Toen bij hoogst ingewikkelde proefnemingen bleek, dat men de veronderstelling van een neutrino ook nodig had om de wetten van behoud van impuls en impulsmoment te doen gelden bij dit proces, had men genoeg convergerend bewijsmateriaal voor het bestaan van het neutrino. Dit blijkt geen elektrische lading en (in rust) geen of een onmeetbaar kleine massa (gewicht) te hebben. Wel heeft het net als het elektron van nature een ‘spin’ (draaiende beweging als van een tol), maar zijn aanwezigheid is direct haast niet te signaleren, want bij botsingen met andere deeltjes zal het minder dan een op de honderdduizend biljoen keren merkbare werking daarop uitoefenen. Pas drie jaar geleden hebben Reines en Cowan met een geweldige apparatuur (er was o.a. een tank van 1400 liter nodig, en over de honderd meetapparaten) zo een wisselwerking kunnen aantonen, maar toen was men al jaren lang zeker van het bestaan van het neutrino, uitsluitend dank zij een toepassing van de behoudswetten.

Invarianties in de natuur

Deze wetten zijn nog op een andere wijze van belang in de natuurkunde: ze zijn op zekere wijze verbonden met invarianties: op de natuur hebben bepaalde veranderingen geen invloed. Zo zal een systeem waarin de wet van het behoud van impuls geldt, onverschillig zijn voor een verschuiving; en het omgekeerde geldt ook. Een ruimteschip b.v. dat vrij door de wereldruimte suist, zal er niet

[p. 144]

anders aan toe zijn, wanneer het verschoven wordt naar een andere plaats in de ledige ruimte. Maar voor een spoetnik, die rond de aarde vliegt, maakt het wel iets uit, als hij ‘naar beneden verschoven’ wordt, want hij wordt beïnvloed door de zwaartekracht van de aarde. Vandaar dan ook, dat voor zo een spoetnik de wet van behoud van impuls niet geldt. Inderdaad neemt men waar, dat een kunstmaan des te vlugger rond de aarde cirkelt, naarmate zij de aarde nadert. Men zegt, dat het eerste ruimteschip wel, het tweede niet invariant is t.o.v. verschuivingen of waar wij het systeem plaatsen. Aan de wet van behoud van impulsmoment beantwoordt zo een symmetrie t.o.v. draaiingen of hoe wij het systeem oriënteren, en aan de wet van behoud van energie een invariantie t.o.v. de tijd, of hoe wij het fysisch gebeuren dateren. Toegepast op het heelal als gesloten natuurkundig systeem, betekent dit, dat het niets uitmaakt, vanaf welke observatiepost of vanuit welke richting of op welke tijd wij de natuur waarnemen: deze zal steeds blijken te gehoorzamen aan dezelfde wetten.

Pariteit en spiegelsymmetrie

Dit alles hoort tot de zgn. klassieke natuurkunde. De moderne quantenmechanica heeft onder veel nieuws ook dit in de fysica gebracht, dat men de fysische toestand van een systeem kan karakteriseren met een wiskundige grootheid, de toestandsfunctie ψ. Deze beschrijft gewoonlijk de toestand van het systeem binnen een kader of coördinatensysteem:

Als wij nu dit kader vervangen door een tegengesteld gericht:

zal men voor een gesloten systeem de grootheid ψ ofwel onveranderd terugvinden, ofwel vervangen door - ψ, dus b.v. van positief negatief geworden. Welke van de twee gevallen zich voordoet, hangt af van de aard van het systeem, is dus een eigenschap ervan, de pariteit genaamd. Men is gaan vermoeden, dat ook voor deze eigenschap wel eens een behoudswet zou kunnen gelden. Dat zou dan weer een nieuwe invariantie met zich meebrengen, en wel deze keer ten opzichte van een spiegeling, dus: spiegelsymmetrie. Het zou namelijk mogelijk zijn een natuurkundig proces te spiegelen, zo dat het spiegelbeeld weer een natuurlijk proces zou opleveren.

Om een eenvoudig voorbeeld te noemen: in een spiegelende vloer kan men voorwerpen omhoog zien vallen. Dat moet dan ook in de natuur mogelijk zijn.

[p. 145]

Op het eerste gezicht lijkt de wet hier al aanstonds te falen, maar dat komt, doordat men zich de spiegeling niet volledig genoeg doorgevoerd denkt: in het spiegelbeeld hangt immers de aarde boven het voorwerp, en dan moet inderdaad alles naar boven vallen. Zo gebeurt het ook werkelijk, want het zuidelijk halfrond met alle vallen die daar gebeuren, is een spiegelbeeld van wat op ons halfrond gebeurt.

Het zal uit deze uiteenzetting duidelijk zijn, dat met de symmetrie van de natuur niet bedoeld wordt, dat de dingen in de natuur symmetrisch zijn - dat is blijkbaar niet het geval -, maar dat de natuur symmetrisch is in haar wetten: naast elk bestaand systeem moet een ander systeem mogelijk zijn, dat het spiegelbeeld is van het eerste, en waarin dezelfde gebeurtenissen kunnen plaats grijpen en volgens dezelfde natuurwetten als in het oorspronkelijke systeem.

Inderdaad bleek zo een symmetrie in de natuur te bestaan, niet alleen voor zulke elementaire gevallen als het juist genoemde, maar ook bij alle processen waarbij kernkrachten werken, de zgn. sterke wisselwerking. Er bestaan echter ook kernprocessen met zwakke wisselwerking en de boven beschreven β-radioactiviteit is daarvan een voorbeeld. Er zijn meer gevallen van bekend, maar daarbij traden soms onverklaarbare eigenaardigheden op.

De hypothese van het behoud van pariteit gevallen

De geniale gedachte van de Amerikaanse Chinezen Yang en Lee, waarvoor zij in 1957 de Nobelprijs kregen, was nu, dat bij de laatstgenoemde processen de wet van behoud van pariteit misschien doorbroken werd, en ze stelden zelf proeven voor die daarover konden beslissen. Het werk werd terstond ter hand genomen, en wij zullen trachten de voornaamste resultaten van de experimenten van Wu en Frauenfelder e.a. hier samen te vatten.

Cobalt-60-kernen zijn β-radioactief. Ze kunnen een elektron en een neutrino uitzenden. De uitgezonden elektronen en de achtergelaten kernen werden onderzocht. Deze hebben alle een spin, zodat men zich in het bijzonder de elektronen kan voorstellen als schroeven: ze draaien rond en bewegen zich tegelijk voort. Nu bleek, dat ze niet zowel links- als rechtsom draaiden, maar bij voorkeur linksom, en dat ook de neutrino's een voorkeursrichting hebben: deze draaien altijd rechtsom. Laten wij het resultaat eens tekenen en het daarna spiegelen:

In het spiegelbeeld draait het neutrino linksom, maar dat is krachtens de proeven onmogelijk! Het spiegelbeeld levert een natuurkundig onmogelijk proces op. De wet van het behoud van pariteit was gevallen!

[p. 146]

Nieuwe gegevens over het neutrino

Men denke nu niet, dat de natuurkundigen zich onaangenaam verrast voelden of een steunpilaar van hun wetenschappelijke constructie meenden te zien wegvallen. Geen theoretische fysicus had immers zijn wetenschappelijk systeem gebouwd op een wet die nog slechts als hypothese aanvaard was en nog wachtte op bekrachtiging door de ervaring. Wel was hij aangenaam verrast, omdat hij weet, dat het doorbreken van een ogenschijnlijk sluitende natuurverklaring telkens weer voert tot een verder uitbouwen van het wetenschappelijk inzicht. Zo voerde het falen van Rayleigh-Jeans' stralingstheorie tot Max Plancks ontdekking van het werkingsquantum, en toen Rutherfords atoommodel hopeloos in strijd bleek met de klassieke elektriciteitsleer, gaf Niels Bohrs atoomtheorie de stoot tot een nooit vermoede ontwikkeling van de quantenmechanica.

Ook deze keer heeft een hypothese in zijn ondergang nog een dienst weten te bewijzen aan de natuurkunde. Het staat nu immers vast, dat een neutrino uit een cobalt-60-kern altijd rechtsom draait. Maar beweging is een relatief begrip. Als men in een trein Amsterdam-Haarlem gezeten is, zit men niet stil, maar beweegt zich naar het westen. Alleen t.o.v. de trein is men in rust. Stel nu, dat een neutrino over de rails vliegt in de richting Amsterdam-Haarlem en dat de trein het inhaalt. Als iemand in de trein het zien kon, zou hij zeggen, dat het neutrino zich oostwaarts door de trein bewoog. De spinrichting van het netrino is echter dezelfde



als voor een toeschouwer die langs de spoorbaan staat. Dus de reiziger in de trein ziet nu een linksom draaiend neutrino, en dat is onmogelijk. Nu moet men niet hiertegen inbrengen, dat de ene beweging (westwaarts) de werkelijke en die oostwaarts een schijnbeweging is, want de speciale relativiteitstheorie (die door de feiten bevestigd is) verzekert ons, dat de ene beweging net zo werkelijk is als de andere. Blijft als enige oplossing over, dat onze veronderstelling onjuist is: er bestaat geen trein die ons neutrino in kan halen. Dat betekent, dat in de natuur geen grotere snelheid bestaat dan die van het neutrino: het neutrino beweegt zich met lichtsnelheid!

Hieruit volgt iets belangrijks: tevoren hebben wij gezien, dat het neutrino een massa (gewicht) heeft, die in ieder geval zo klein is, dat wij die niet kunnen meten. Natuurlijk kunnen wij nooit meten, of de massa precies nul is, want de nauwkeurigheid van een meting is altijd beperkt. Maar laten wij aannemen, dat de massa wel heel klein is, maar niet nul. Dan raken wij weer in strijd met de relativiteitstheorie, want die leert, dat geen enkele massa zich met lichtsnelheid kan voortbewegen, anders zou de massa oneindig groot worden. Het neutrino nu beweegt zich precies met lichtsnelheid, de massa van het neutrino moet dus precies nul zijn.

Zo hebben wij naar aanleiding van het falen van onze hypothese twee nieuwe geheimen aan het neutrino ontfutseld. Ja, wij mogen zeggen, dat wij alles wat wij weten over deze stille diender in de atomaire wereld te danken hebben aan de behoudswetten.

[p. 147]

Toch spiegelsymmetrie?

Maar dit is nog een kleinigheid in vergelijking met de verwachtingen die de fysici al zijn gaan koesteren: het wegvallen van de hypothese van het behoud van pariteit schijnt te zullen voeren tot een weidser begrip van de natuur dan tevoren. Al aanstonds hebben de fysici de veronderstelling geopperd, dat er wél neutrino's zijn die linksom draaien, namelijk hun anti-deeltjes. Zoals er protonen en anti-protonen zijn, en zoals elektron en positron eikaars antideeltjes zijn (o.a. met tegengestelde lading), zo zouden er ook neutrino's en antineutrino's zijn. Men heeft het zo vastgelegd, dat de neutrino's linksom draaien, terwijl de rechtsom draaiende, zoals b.v. de door cabolt-60 uitgezondene, voortaan anti-neutrino's heten. Misschien komen wij zo tot een veel grootsere symmetrie in de natuur: Als men het experiment met cobalt-60 gespiegeld had tijdens de proefneming en van het spiegelbeeld een film had kunnen maken, zou ieder natuurkundige die die film nu zag, natuurlijk zeggen: dit kan in de natuur niet gebeurd zijn. Maar als men in die film tevens alle ladingen verwisseld had (dus de positieve maakt men negatief, de negatieve positief), misschien ook bovendien de film achterstevoren gedraaid had, had men misschien een proces afgedraaid dat wel natuurlijk is, een proces met antikern, positron en neutrino, in een antiwereld dus. M.a.w. misschien moet men niet alleen de ruimte, maar tegelijk ook ‘de elektrische lading spiegelen’, en misschien ook ‘de tijd spiegelen’.

Bij onze spiegeling van de val kwamen wij tot een absurd resultaat, als wij de aarde niet meespiegelden. Misschien is ons hier iets dergelijks overkomen: wij hadden niet volledig genoeg gespiegeld. Tot zo interessante en hoopvolle perspectieven kunnen ‘proeven met negatief resultaat’, ‘het ineenstorten van een natuurkundige theorie’ uitzicht openen.