Logo DBNL
Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie (2005)

Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie

(2005)–Dirk van Delft–rechtenstatus Auteursrechtelijk beschermd

De man van het absolute nulpunt


Vorige Volgende

16 Het Zeeman-effect

Het Zeeman-effect1 werd ontdekt in de nazomer van 1896, op een moment dat Onnes op vakantie was. Had het een met het ander te maken? Opvallend genoeg lijkt Zeeman nogal abrupt op het experiment dat hem in 1902 samen met Lorentz de Nobelprijs voor de natuurkunde opleverde te zijn overgestapt. In zijn laboratoriumboekje staat direct voor de eerste notitie over het Zeeman-effect van woensdag 2 september: ‘bak dichtmaken / brug vóórin bak proberen / ook dicht bij vibrator.’2 Deze aantekeningen hebben betrekking op experimenten naar de absorptie van elektrische trillingen in elektrolyten, die Zeeman sinds oktober 1895 in Leiden uitvoerde. In een brief vanaf zijn vakantieadres in Bad Reichenkall (Beieren), gedateerd 20 augustus 1896, liet Onnes zijn assistent, die hem zojuist de laatste resultaten van zijn proeven had toegestuurd, weten dat hij ermee in zijn nopjes was: ‘Met veel belangstelling las ik uw berichten over de proeven met de electr. trillingen. Kan er niet een stukje voor de September vergad. [van de Akademie] uit groeien. Dit zou van veel belang zijn.’3 Dat stukje kwam er inderdaad.4

Maar intussen was Zeeman gegrepen door een effect dat al jaren zijn belangstelling had: de invloed van een magnetisch veld op een lichtspectrum. Juli 1891 deed hij zijn eerste experiment in die richting. ‘Met een geïmproviseerde inrichting werd het spectrum van een natriumvlam geplaatst tusschen de polen van een electromagneet van Rühmkorff, bekeken. Het resultaat was negatief,’ schreef Zeeman in zijn eerste mededeling aan de Akademie toen het hem wél was gelukt.5 In een brief aan Onnes, die voor de rest aan de laatste metingen van het Kerr-effect gewijd was, had Zeeman op 31 juli 1891 - opnieuw in de vakantie! - verslag gedaan. ‘Ik heb ook nog 't ijzerspectrum in een magnetisch veld onderzocht maar geen verplaatsing der lijnen duidelijk kunnen constateeren.’ Zeeman, toen 26 jaar oud, leek zich destijds een beetje te generen voor zijn jeugdige overmoed en had zich alvast tegen kritiek van zijn chef ingedekt:

Dit geval is voor mij zeer geschikt om de grootere bevrediging, die 't quantitatief onderzoek geeft, te kunnen gevoelen en wanneer ik ooit uw zinspreuk door meten tot weten zou kunnen vergeten, zoo zou de herinnering hieraan [het onderzoek aan het ijzerspectrum] zeker voldoende zijn om niet weer, dan na volkomen overweging wat te verwachten is, aan 't werk te gaan.6

Zomaar wat proberen was niet de bedoeling in het Natuurkundig Laboratorium ten tijde van Onnes. In een artikel in Physica ter gelegenheid van het 25-jarig bestaan van het Zeeman-effect liet de hoogleraar-directeur daar geen misverstand over bestaan. Terugblikkend op die eerste poging van juli 1891 zei hij:

Hij verraste mij met die vraag [naar de mogelijkheid van een invloed van magnetisme op de kleur van licht] toen wij op een morgen, staande bij den spectrometer met polarisatie toestellen, waarmede Sissingh, hijzelf en Wind in dezelfde kamer aan de ‘Lorentz serie’ van Leidsche metingen hebben gewerkt, het een en ander betreffende de metingen hadden overlegd. Het onmiddellijk door Zeeman ter beslissing ondernomen spectroscopisch onderzoek van een in het magneetveld gebrachte natriumvlam had hem een negatief resultaat geleverd. De zaak bleef toen rusten. Al had de mogelijkheid, dat de onderstelde wijziging van de D lijnen met een gevoeliger spectroscoop dan de zijne misschien toch aantoonbaar zou zijn, hem niet zonder tweestrijd gelaten, zoo had toch bij hem de overweging de overhand behouden, dat omtrent den aard en de grootte van het verschijnsel niets te voorspellen viel en het opsporen er van dus een nieuw, weinig begrensd onderzoek zou vragen, dat het voltooien van de metingen waarmede hij bezig was in de waagschaal zou stellen. Hij had zich niet verder van de lijn van zijn werk verwijderd dan bij een redelijke opoffering van tijd met gereedstaande hulpmiddelen aangewezen was geweest, en had vastgehouden aan zijn op goede gronden genomen onderzoek, dat hem dan ook een postief antwoord op bepaalde, zij het ook bescheidener vragen had gegeven.7

In 1898, toen Zeeman in Amsterdam lector was en de hoogleraar en zijn vroegere assistent als vrienden met elkaar omgingen, haalde Onnes in een briefje ter gelegenheid van Zeemans verkiezing tot Akademielid herinneringen op aan de eigengereide Zeeuw die het lef had gehad op eigen houtje proeven in te richten:

Ik herinner mij dan weer zoo gaarne onze eerste ontmoeting, die mij zooveel beloofde; ik herinner mij hoe later mijn vertrouwen in je toekomst bestand was tegen de oppositie, die mijne waardeering wel eens vond.8

Pieter Zeeman was een domineeskind.9 Geboren in 1865 in Zonnemaire, op het Zeeuwse eiland Schouwen, doorliep hij de hbs in Zierikzee. Na het eindexamen in 1882, met een hoog cijfer voor natuurkunde, was het zaak eerst de aanvullende staatsexamens Grieks en Latijn te halen, pas dan kon er aan de universiteit gestudeerd worden. Zeeman kreeg les van J.W. Lely, classicus en conrector van het Delftse gymnasium, en woonde bij hem in. Maar de natuur- en sterrenkunde trokken harder dan Latijn en Grieks en het kostte Zeeman drie jaar eer hij de vereiste papieren in orde had. Wel haalde zijn op 17 november 1882 verrichte waarneming van een meteorenzwerm het weekblad Nature,10 waarna het eveneens Britse Philosophical Magazine een artikel over het onderwerp adresseerde aan ‘Prof. Zeeman’ te Zonnemaire.11ranh, Zeeman-archief, inv.nr. 245.

In die Delftse jaren kwamen Kamerlingh Onnes en Zeeman voor het eerst met elkaar in contact. Dat was tijdens een wandeling op het landgoed de Raaphorst in Wassenaar, waar Lely een tijdelijk onderkomen had gevonden.12 Onnes, die Zeeman ongetwijfeld verteld zal hebben over het waarnemen van een meteorenzwerm in 1870 door zijn Groningse hbs-maatje W. Gratama, was zeer geïmponeerd door de kennis die zijn achttienjarige ‘geleider’ etaleerde. ‘Aldra kwam ons gesprek,’ aldus Onnes in 1921 in zijn Physica-artikel, ‘van het veelsoortige natuurschoon in Leidens onmiddellijke omgeving op ons vak.’

Ik bemerkte met verbazing, dat Zeeman reeds werken als Maxwell's Heat kende en veel uit dergelijke literatuur tot zijn geestelijk eigendom gemaakt had. Zijn groot verlangen was te gaan experimenteeren. Innig gelukkig met het vooruitzicht zulk een leerling te mogen leiden, vond ik mij verantwoord hem ten zeerste aan te moedigen zijne roeping te volgen. Ik meende hem met zekerheid te mogen voorspellen, dat een leven van toewijding aan de wetenschap hem gelukkig zou maken.13

Zeeman kwam in 1885 in Leiden aan. Vanaf maart 1889 hielp hij Sissingh bij de tijdrovende en lastige proeven aan het Kerr-effect. ‘Leerzaam,’ schreef hij in zijn dagboek, ‘in zoverre dat ik daardoor meerdere nauwkeurigheid in 't waarnemen, meerdere inzicht in wetenschappelijk onderzoek, meer standvastigheid in doorwerken van één onderwerp kreeg.’14 In 1890, nog voor zijn doctoraalexamen, namen Onnes en Lorentz hem aan als assistent (Zeeman hielp Lorentz bij de demonstratieproeven op het grote college en bij de aansluitende practica voor medici). Voor zijn leermeester Onnes was Zeeman vol bewondering. ‘Ik kwam deze week toevallig tegen een brief van Clausius aan O. van Dec. 1874,’ schreef hij op 20 februari 1891 in zijn dagboek,

Waarin C[lausius] naar aanleiding van enkele opmerkingen van Onnes hem zegt dat medearbeiders, die zo diep in de zaak doordringen als O natuurlijk der mol[eculaire] physica zeer welkom zijn. Wanneer men bedenkt dat O (geb 1853) toen 21 jaar oud was, dan kon dit slechts vervullen met bewondering voor zijne vroegtijdige ontwikkeling, toendertijd blijkbaar gesteund door eene buitengewoone werkkracht, waarvan mij zijne extracten van Boltzmann en Clausius [...] getuigenis afleggen [...]. Het is ons steeds goed de eigenschappen van voortreffelijke menschen ons voor de geest te stellen, te meer wanneer wij in hunne nabijheid leven en zelven zoozeer daarvan verwijderd zijn.15
Michael Faraday was een van Zeemans grote voorbeelden. Op 19 april 1890, naar aanleiding van een boek van Bence Jones over Faraday, noteerde de Zeeuw in zijn dagboek: ‘Zou 't ook mogelijk zijn licht door magnetisme of elektriciteit te krijgen? Dit idee kwam bij mij op naar aanleiding van Faraday.’ Op 20 september kopieerde Zeeman de reactie van Faraday nadat de Engelsman een vlam tussen de polen van een magneet had gehouden: ‘not the slightest effect in the lines of the spectrum was observed.’ In de marge van zijn dagboek zette Zeeman naast dit citaat twee strepen. Op 20 juni 1891 noteerde Zeeman dat hij met Gladstones Life of Faraday bezig was, maar over die zomer, toen hij zijn eerste poging deed om het ‘Zeemaneffect’ in beeld te krijgen, worden we van het dagboek niet wijzer: de betreffende bladzijden zijn eruit verwijderd.

Met metingen aan het Kerr-effect won Zeeman in 1892 een gouden medaille van de Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen - de leden Lorentz en Onnes droegen het onderwerp van de prijsvraag aan. De inzending vormde tevens de basis van Zeemans proefschrift.16 Februari 1893 vertrok de Zeeuw voor een halfjaar naar Straatsburg, om bij Emil Cohn onderzoek te doen naar de voortplanting van elektrische golven in water. Bij terugkeer zette hij dit onderzoek in Leiden voort, terwijl hij als privaatdocent experimenteel getinte colleges gaf. Na de ontdekking van het Zeeman-effect, door Onnes in zijn toespraak voor de leraren ‘[z]onder twijfel [...] een der schoonste ontdekkingen van den laatsten tijd’ genoemd, haalde Van der Waals Zeeman eind november 1896 als lector naar Amsterdam. Verwoede pogingen van Onnes om zijn leerling in Leiden zo'n post te bieden, mochten niet baten. Na het vertrek van conservator Johan Kuenen naar Engeland, een jaar eerder, was het opnieuw niet gelukt een lector aan te stellen die de onderwijslast van Lorentz kon verlichten.17

Zeeman als zijn eigen onwelwillende criticus

Wat deed Zeeman besluiten de in 1891 mislukte proef nog eens over te

doen? Om te beginnen had hij nadien in de Encyclopaedia Britannica Maxwells biografische schets van Faraday gelezen. Die herinnerde hem eraan dat de grote experimentator in 1862 in zijn laatste proef tevergeefs geprobeerd had een kleurverschuiving waar te nemen in het licht van een vlam die in een magnetisch veld werd gehouden. ‘Wanneer een Faraday aan de mogelijkheid van de genoemde betrekking dacht,’ aldus Zeeman in de inleidende paragraaf van zijn eerste Akademieartikel over het later naar hem genoemde effect, ‘kon 't nog wel de moeite loonen met de tegenwoordige uitstekende hulpmiddelen op spectraal-analytisch gebied de proef te herhalen [...].’

Met die uitstekende hulpmiddelen, zo is de heersende opvatting, bedoelde Zeeman in de eerste plaats het door het Leidse laboratorium verworven tralie van Rowland. Dat was een holle metalen spiegel met een kromtestraal van ‘10 Eng. voeten’ en met op gelijke afstanden 14.438 krassen per inch. Met zo'n tralie - het procédé was begin jaren tachtig door de fysicus Henry Rowland in Baltimore ontwikkeld en ruim honderd stuks gingen er tegen kostprijs naar Europese laboratoria - was een spectrum (bijvoorbeeld van een natriumvlam) met ongekend oplossend vermogen in zijn kleuren te ontleden. Bovendien waren door de holle vorm geen extra lenzen nodig. Het tralie van Rowland kwam uitstekend van pas bij bij de bepaling van de (constante) lichtsnelheid in 1887 door Michelson en Morley, en bij het opmeten in 1900 van het spectrum (intensiteit tegen de golflengte) van een ‘zwarte straler’ (een voorwerp dat alle opvallende straling absorbeert).

Maar het tralie van Rowland kan voor het verschil met Zeemans eerste poging in 1891 niet hebben uitgemaakt. Kamerlingh Onnes liep niet voorop met het aanschaffen van dat tralie - het vergde een forse investering - maar in de loop van 1890 had hij het in huis.18 Eerder lijkt de zeer nauw te stellen spleet, die de werkplaats van het laboratorium zojuist had afgeleverd, de beslissende factor te zijn geweest. Hoe dan ook, met de combinatie traliespleet maakte de eigengereide Zeeman een klapper die het cryogene werk - toch al zwaar in de verdrukking door het gedonderjaag om een hinderwetvergunning (zie hoofdstuk 17) - geruime tijd in de schaduw stelde.

Hoe ging de waarneming van het Zeeman-effect in zijn werk? In zijn Physica-artikel uit 1921 beschrijft Kamerlingh Onnes de uitgangssituatie in kamer 1, de vroegere vestibule. ‘Zien wij hem [Zeeman] thans daarbij aan het werk.’

Veel voorbereiding was niet meer nodig. Een uiterst nauwkeurig afgewerkte spleet, die fijn genoeg gesteld kon worden om het oplossend vermogen van het Rowlandtralie tot zijn recht te brengen was door den instrumentmaker van het
laboratorium als proefstuk in zijn vak bewerkt. Een loupe van Fresnel om het [door het tralie van de spleet gemaakte] beeld te bezien was bij de hand. Het onwrikbaar onderling verband van den deelen van den spectroscoop was te verkrijgen door ze op te stellen op den grooten, op geheide slieten afzonderlijk gefundeerden gemetselden monolith, die van het inrichten van de vroegere vestibule van het gebouw op de Kleine Ruïne tot werkzaal daar was opgetrokken en zich onder de geheele vloer van de zaal uitstrekte. Deze zaal kon door eenige klepschermen gemakkelijk donker gemaakt worden. Het voorste deel links was beschikbaar voor den spectroscoop. Voor de spleet ervan werd een natriumvlam gebracht, geplaatst in het ongeveer 10 Kilogauss sterke veld van den electromagneet van het gewone model van Rühmkorff. De natriumvlam werd verkregen door een stukje met keukenzout oplossing gedrenkt asbest te brengen, in de eerste dagen in een gewone Bunsenvlam, later in een vlam gevoed met een mengsel van lichtgas en zuurstof.19

Onduidelijk is wat Zeeman eind augustus 1896 aan zijn effect heeft gedaan. Veel meer dan het opstellen en uittesten van de benodigde apparatuur in kamer 1 zal het niet geweest zijn. In die trillingsvrije ruimte, waar Onnes op verzoek van Bosscha in 1883 apparatuur uit Delft had opgesteld ten behoeve van het ijken van de wet van Ohm,20 stonden de gevoelige stroommeters die in de elektrische schakeling van opstellingen elders in het laboratorium waren opgenomen - via een spreekbuis gaf een onderzoeker in de betreffende kamer zijn hulpje in 1 het commando tot meten. Galvanometers waren augustus 1896 vooral in gebruik bij de Hall-opstelling van Van Everdingen. Maar diens meetplan werd gefrustreerd door de eerder genoemde kwestie met de hinderwetvergunning, die het cryogeen laboratorium tot medio 1898 lamlegde. Het is denkbaar dat Zeeman juist vanwege de cryogene ellende met zijn proefopstelling in kamer 1 terechtkon.

Uit de eerste aantekening die Zeeman in zijn notitieboekje van zijn effect maakte, op 2 september 1896, blijkt dat beide gele ‘zeer scherp te krijgen’ d-lijnen van natriumlicht (zout is natriumchloride) bij het inschakelen van de magneet (die een stroom van 30 ampère trok) ‘2 à 3 malen breeder’ werden.21 Zeeman zal het met opwinding hebben gadegeslagen maar was als leerling van Kamerlingh Onnes wijs genoeg om, alvorens de vlag uit te steken, eerst na te gaan of hij niet door fouten of neveneffecten in de luren werd gelegd. Op 4 september wierp hij in zijn aantekenboekje een mogelijk alternatieve verklaring op: verbreding van de d-lijnen door hogere druk, veroorzaakt door een hogere vlamtemperatuur door vormverandering in een magnetisch veld. Maar tot een systematisch foutenonderzoek kwam het pas in oktober: Onnes, terug van vakantie, zal geëist hebben dat zijn assistent

eerst zijn absorptieproeven met elektrolyten afrondde en deze tot een ‘mededeling’ voor de Akademie verwerkte. Geen betere reden voor de ‘oppositie’ die Onnes in zijn jubileumartikel van 1921 memoreerde, dan dit van hogerhand opgelegde uitstel.

Op 9 oktober pakte Zeeman de draad weer op. In een serie lastige proeven met glazen en porseleinen buisjes, die bepaald niet probleemloos verliepen, wist hij de mogelijkheid van een temperatuur- of drukeffect uit te sluiten door aan te tonen dat de lijnverbreding direct na het inschakelen van de magneet optrad. J.D. van der Waals Jr., later in Amsterdam Zeemans collega, formuleerde het in 1935 in zijn toespraak ter gelegenheid van Zeemans zeventigste verjaardag zo: ‘[W]ie uw eerste verhandelingen over [...] de magnetische splitsing [in eerste instantie verbreding] der spectraallijnen leest, krijgt den indruk, dat niet de experimentator zelf aan het woord is, maar een eenigszins onwelwillend criticus, die er niet zoozeer op uit is, de proeven op hun juiste waarde te schatten, en er de gevolgen van na te gaan, dan wel zich in geen geval iets op den mouw te laten spelden.’22 Kamerlingh Onnes, die in 1921 Zeemans ‘opwindend streven om eene beslissing voor deze vraag te verkrijgen’ memoreerde, en het ‘een schoone herinnering’ noemde dit ‘van nabij’ gevolgd te hebben, zou instemmend geknikt hebben.

De eerste mededeling van het Zeeman-effect op de Akademie werd door Onnes gedaan in de zitting van zaterdag 31 oktober 1896.23 Een dag eerder had Zeeman het effect nog eens aan zijn chef laten zien.24 Lorentz, op de Akademievergadering aanwezig, boog zich nog hetzelfde weekend over het verschijnsel en maandag na het practicum riep hij Zeeman al bij zich om in ‘een korte schets’ de bijbehorende theorie op het bord uiteen te zetten.25 Het trillende geladen deeltje dat in elk atoom huisde (‘ion’), aldus Lorentz, ondervond in een magnetisch veld een kracht loodrecht op zowel de trillingsrichting als de veldrichting. Het effect daarvan maakte Lorentz inzichtelijk door de trillingsrichting van het ‘ion’ te ontbinden in een component dwars op en een component evenwijdig aan het magnetisch veld. De loodrechte component splitste hij vervolgens in twee cirkelvormige trillingen (loodrecht op de evenwijdige component) die tegen elkaar in draaiden. Van de drie zo verkregen componenten ondervindt de evenwijdige geen invloed van het magnetisch veld. Maar beide cirkeltrillingen merken die wél: de ene krijgt een iets hogere frequentie, de tweede een iets lagere. Het resultaat is dat een scherpe lijn in het spectrum van een lichtbron in een magnetisch veld zich splitst in drie lijnen, waarvan de twee buitenste circulair gepolariseerd zijn. Onder niet-ideale omstandigheden overlappen die lijnen elkaar en ziet de waarnemer slechts een verbreding van de oorspronkelijke lijn waarvan de randen het polarisatie-effect vertonen.

Op 10 november probeerde Zeeman de door Lorentz voorspelde circulaire polarisatie van de randen van de d-lijnen waar te nemen. Een geschikte analysator had hij nog liggen van het Kerr-onderzoek dat hij eerder dat jaar op verzoek van Wind had gedaan. De poging faalde omdat er niet evenwijdig aan het magneetveld werd gekeken, maar loodrecht daarop. Op 20 november besefte Zeeman zijn ‘blunder’ en stapte over op een magneet met doorboorde poolschoenen, zodat hij parallel aan het veld kon kijken. Drie dagen later kon de vlag alsnog uit: ‘Door hulp Lorentz bewezen dat de verklaring door gewijzigde beweging “ionen” juist of tenminste hoogst waarschijnlijk is,’ schreef Zeeman in zijn dagboek. De dag erna herhaalde hij de proef in bijzijn van Lorentz. Die sprak van ‘een meevaller’ en van ‘een direct bewijs voor 't bestaan ionen, met Faraday's rotatie en Kerr's verschijnsel’.26 Overigens zei lord Raleigh in zijn necrologie van Zeeman voor de Royal Society in 1944 dat Lorentz het effect destijds ontging.27

Eerder had Lorentz nog gesproken van ‘een kwaad ding’.28 Dat was naar aanleiding van de waarde van de verhouding tussen de lading en de massa van de ‘ionen’ die de grootte van de lijnverbreding in combinatie met Lorentz' theorie opleverde. Aangenomen dat ionen een eenheidslading hadden, leidde dat tot een massa circa duizend keer lichter dan die van een waterstofatoom. In zijn tweede Akademieartikel presenteerde Zeeman deze opmerkelijke uitkomst zonder enig commentaar.29 Wisten hij en Lorentz er geen raad mee? Niet lang daarna bleken lichtionen, net als kathodestralen, uit elektronen te bestaan: lichte, negatief geladen deeltjes. De ontdekking van het elektron wordt vaak toegeschreven aan J.J. Thomson, met als jaartal 1897, maar daar zijn door wetenschapshistorici de nodige kanttekeningen bij geplaatst.30 Zeeman bepaalde weliswaar de waarde van de lading gedeeld door de massa, maar niet de massa apart. Volgens A.J. Kox zou het wel eens zo kunnen zijn dat Lorentz vanwege Zeemans bizarre uitkomst geen medeauteur van het betreffende artikel wilde zijn, en ook het aanbieden aan de Akademie aan Onnes overliet.31

De rol van theorie was in de opeenvolgende fases van de ontdekking van het Zeeman-effect totaal verschillend. Was Zeeman vóór hij in augustus/september zijn proeven begon van de theorie van Lorentz op de hoogte geweest, en had hij de massa van het ‘ion’ gelijkgesteld aan die van een waterstofatoom - wat toen de gangbare opvatting was - dan was hij al snel tot de conclusie gekomen dat de te verwachten lijnsplitsing (verbreding) zo minuscuul was dat hij zich de moeite van het experiment kon besparen. Theoretische ‘voorkennis’ kan zeer nadelig uitpakken! Nu volgde Zeeman frank en vrij zijn intuïtie, weliswaar geleid door Faraday maar zonder een duidelijk idee van wat hem te wachten stond, en speelde zijn effect een be-



illustratie
De gebrandschilderde Zeeman-ramen, naar een ontwerp van Harm Kamerlingh Onnes. In 1922 werden ze geplaatst in de binnenmuur van lokaal i, waar Zeeman in 1896 zijn proef deed. Op het linkerraam (boven) kijkt Zeeman door een spectroscoop naar natriumlicht dat keukenzout in een brander uitzendt. Na het bekrachtigen van de elektromagneet verbreedt (splitst) de gele natriumlijn zich: het Zeeman-effect. Het middelste raam verbeeldt Lorentz' verklaring, terwijl Zeeman op het rechterraam op zoek is naar de door Lorentz voorspelde polarisatie van de randen van de natriumlijn.


langrijke rol in de ‘ontdekking’ van het elektron. Over deze bijzondere interactie tussen experiment en theorie schreef Onnes in 1921:

Wierp de theorie hier het volle licht op de beteekenis van de experimenteele gegevens, die op het nieuw ontsloten, onafzienbare gebied verkregen konden worden, het Zeeman effect deed anderzijds, door de verklaring die het in Lorentz' theorie vond, de macht van deze in het oog vallen. Van dit tijdstip af begint dan ook de versnelde ontwikkeling der electronen-theorie, die thans in het grootste deel der natuurkunde is doorgedrongen. [...] De moeilijkheid om eene theorie streng aan te sluiten bij het al bekende is het analogon van die, om langs experimenteelen weg een nauwekeurig en volledig beeld van een verschijnsel te verkrijgen. Het is of in den strijd tegen die moeilijkheden op beide wegen de resonnantie als 't ware van den menschelijken geest met de natuur tot stand komt, welke nieuwe verschijnselen doet ontdekken en juiste beelden doet scheppen.32
Overigens kon Onnes niet nalaten op te merken dat Zeemans voldoening met hetgeen hij in gang had gezet gedurende zijn eerste Amsterdamse jaren getemperd werd door de ronduit ‘ongunstige omstandigheden’ waaronder hij aan de Plantage Muidergracht had te werken. ‘[E]erst na vele jaren’ kwam er ‘eene geschikte vaste opstelling’.33 Desondanks slaagde Zeeman in 1897 in Amsterdam er bij cadmium in daadwerkelijk een splitsing van een spectraallijn te verkrijgen, in plaats van de Leidse verbreding van de d-lijn van natrium. Spoedig daarop bleek uit tal van vervolgexperimenten overal ter wereld dat het Zeeman-effect gecompliceerder in elkaar stak dan de theorie van Lorentz deed geloven. Pas na de ontdekking van de elektronspin, in 1925 ontdekt door Sam Goudsmit en George Uhlenbeck, kon de quantumtheorie er fatsoenlijk mee uit de voeten.

Aanvallen op Zeemans prioriteit

Een ontdekking telt pas echt mee als de prioriteit van de ontdekker wordt betwist. Dat overkwam Zeeman tweemaal. Januari 1897 ontvingen Kamerlingh Onnes en Henri du Bois, een Nederlandse fysicus die in Berlijn werkte, een brief van Edmond van Aubel, hoogleraar experimentele natuurkunde en fysische chemie te Gent. Van Aubel, voormalig assistent van Charles Fievez, meende voor de belangen van zijn inmiddels overleden chef op te moeten komen. Die zou als astronoom aan de sterrenwacht van Brussel tien jaar vóór Zeeman ook de invloed van een magneetveld op een spectrum hebben bestudeerd en toen gevonden hebben dat spectraallijnen in een magneetveld een vergelijkbare verbreding ondergingen als in geval van tem-

peratuurverhoging. Voor verdere details verwees Van Aubel naar twee publicaties van Fievez.34 Dat juist Du Bois een brief uit Brussel kreeg kwam omdat Van Aubel als ‘buitenlid’ van de in Berlijn zetelende Physikalische Gesellschaft in hem een logisch aanspreekpunt zag.

Du Bois liet Zeeman weten dat hij zelf moest weten of er een reactie moest komen, en dat Van Aubel als een ‘lastig man’ bekendstond. Het verzoek van de Belg om zijn brief in de Physikalische Gesellschaft voorgelezen te krijgen had Du Bois afgewezen met als argument dat zulks in Berlijn de gewoonte niet was.35

Kamerlingh Onnes had zich drie dagen eerder, de herinnering aan De Heens zwakke vertoning ten aanzien van metingen aan het kritische punt (zie hoofdstuk 19) nog vers in het geheugen, negatiever uitgelaten:

Hierbij een spoedeischende brief van Aubel. Wilt ge u er eens even van op de hoogte stellen. 't Zal wel niets zijn! De Belgen zijn zulken knoeiers en ik zou me verwondren als die een Rowlandgitter met fijne spleet hadden opgesteld! Intusschen zal moeten worden nagegaan of de waargenomen verschijnselen er iets mee te maken hebben.36
De laatdunkende toon neemt niet weg dat Onnes de kwestie-Faviez zeer serieus nam. Op de Akademievergadering van 30 januari las hij de brief van Van Aubel wél voor, waarna Onnes opmerkte:
Dat Faviez op het denkbeeld van deze proeven is gekomen is een opmerkelijk feit, dat alleszins vermelding verdient en de door hem verkregen uitkomsten moeten zorgvuldig worden overwogen.
Zeeman, zo merkte Onnes in de Akademievergadering direct op, was geheel onkundig van de proeven van Van Aubel en had deze in zijn beide Akademiemededelingen van oktober en november 1896 ‘tot zijn leedwezen’ niet vermeld. Om de uitkomst van zijn ‘overweging’ nog in het zittingsverslag opgenomen te krijgen nodigde Onnes Zeeman uit op korte termijn naar Leiden te komen om de zaak eens duchtig door te spreken. Ook wilde Onnes dat Zeeman in kamer 1 naging of Fievez' ‘verdeelde strepen werkelijk gepolariseerd zijn of niet’ - in Amsterdam ging dat niet. Dat zou beslissen of ‘die proeven onzin of heel belangrijk zijn’.37 Of Zeeman de proeven ook gedaan heeft is onduidelijk: het zittingsverslag zwijgt erover. Niettemin betwijfelde Onnes of de door Faviez waargenomen lijnverbreding van magnetische oorsprong was:

Vatten wij het voorgaande samen dan komen wij tot dit besluit. De proeven van den heer Fievez hadden voor Zeeman de aanleiding tot zijne verdere onderzoekingen kunnen zijn, maar zij hadden niet uitgemaakt of er eene specifieke werking van het magnetisch veld op de periode der trillingen van het uitgezonden licht bestaat, en voorloopig althans blijft het zelfs twijfelachtig of het door Fievez waargenomen verschijnsel bij een gemagnetiseerde vlam inderdaad moet worden toegeschreven aan de door Zeeman gevondene specifieke werking van het magnetisch veld op de periode der lichttrillingen, welke van den Heer Lorentz buiten alle twijfel is gesteld.38
Zeeman zelf kwam op de zaak terug in een appendix bij de vertaling van beide Akademieartikelen voor het Philosophical Magazine - in Communication 33, de Engelse vertaling van beide Akademieartikelen, was al rechtgezet dat de ‘lichtionen’ een negatieve lading hadden en geen positieve, zoals eerder abusievelijk was geconcludeerd. Faviez, aldus het naschrift, had niets over polarisatie gezegd, terwijl sommige van zijn waarnemingen kwalitatief niet klopten met die van Zeeman. Al met al leek het er sterk op dat Faviez een temperatuureffect had gezien, ook al benadrukte hij dat het optrad zodra hij het magneetveld inschakelde. Van een Belgische theoretische verklaring was geen sprake. ‘Lopende experimenten,’ zo besloot Zeeman, zouden de zaak beslechten. Maar over de uitkomst van die proeven is niets bekend en als ze hadden uitgewezen dat wat Faviez in 1885 zag beslist iets anders was dan Zeeman in 1896, hadden we dat ongetwijfeld vernomen.39

Ook bij het geval van F. Richarz, hoogleraar in Greifswald, waren Du Bois en Onnes betrokken. ‘Deze is bepaald ernstiger te nemen dan de Belg,’ schreef Du Bois drie weken na zijn brief over Faviez aan Zeeman.40 De kwestie was dat Richarz meende dat Zeeman hem had moeten citeren - Du Bois was het daar mee eens. Op 22 februari stuurde Onnes Zeeman een voorstel voor een brief naar Richarz. Overigens zag hij ook de positieve kant van de zaak: ‘'t Is een goed teeken, dat ieder zoo in verband met je werk wil worden genoemd.’41 Het antwoord uit Greifswald kwam op 10 maart. Na Zeeman complimenten te hebben gemaakt met zijn ontdekking stelde Richarz de samenhang met zijn eigen werk aan de orde. Het Zeeman-effect zou op ‘moleculair magnetisme’ berusten, een onderwerp waarover hij had gepubliceerd.42 Omdat in werkelijkheid voor het effect een extern magneetveld nodig is, lijkt Richarz' werk weinig relevant. Niettemin wilde de Duitser, zonder iets aan het belang van Zeemans prestatie te willen afdoen, geciteerd worden. Onnes stuurde de brief van Richarz aan Zeeman door. ‘Ik ben met hem niet zo gelukkig geweest als met van Aubel,’ zette hij erbij, ‘hij schijnt volstrekt niet overtuigd.’43

Zeemans aanvulling bij het appendix voor het Philosophical Magazine (over de zaak Faviez) kwam te laat om door de redactie nog verwerkt te worden. ‘Jammer dat het van de bliksemafleider à aigrettes [een kooiconstructie] naar de donderwolken van Richarz, Chattock e.a. te laat was,’ reageerde Onnes.44 In het volgende nummer van het Philosophical Magazine probeerde Zeeman Richarz tevreden te stellen.45 Maar door een artikel van de Duitser slechts terloops te noemen en er in één adem aan toe te voegen dat de ‘lichtionen’ van het Zeeman-effect iets totaal anders waren dan de elektrolytische ionen uit Richarz' artikel, mislukte deze lijmpoging: ‘[A]uch jetzt [ist] die Art und Weise wie Sie meine Arbeiten citiren nicht die richtige,’ luidde de reactie uit Greifswald.46

Onnes liet Zeeman weten dat hij achter hem stond, maar dat wat meer vriendelijkheid geen kwaad had gekund. ‘Ik meen dat vroeger een warmer getinte zin aan Richarz was toegedacht,’ schreef hij op 23 augustus vanuit zijn vakantieadres in Schuls (Zwitserland). ‘Het gemis aan warmte heeft hem ontstemd.’47 Of Zeeman zodra de gelegenheid zich voordeed de Duitser alsnog de credits kon geven voor zijn onderzoek naar het verband tussen de beweging van ionen en licht.

Afgezien van de protesten van Van Aubel en Richarz kreeg Zeeman uit binnen- en buitenland op zijn ontdekking louter lovende reacties. Haga sprak van ‘een waardig slot op uwe proeven in Leiden’.48 Op een groot internationaal natuurkundecongres in Düsseldorf, december 1898, begroette de Göttingse hoogleraar Woldemar Voigt zijn collega (en latere vriend) met de woorden: ‘Gij hebt een ware parel gevonden.’ En Onnes zelf? Die benadrukte vooral de samenwerking tussen theorie en experiment en sprak van ‘een geheel van zeldzame schoonheid’.49

Daarin stond hij niet alleen. In hun aanbevelingsbrief om Zeeman in 1898 tot lid van de Akademie van Wetenschappen verkozen te krijgen, wonden Van der Waals, Kamerlingh Onnes, Lorentz, V.A. Julius, W.H. Julius en Haga er geen doekjes om: het Zeeman-effect was iets aparts. Na opgesomd te hebben wat de kandidaat allemaal nog meer gepresteerd had, om te constateren dat alles ‘geheel in de schaduw’ viel bij de ‘schitterende ontdekking’ van het Zeeman-effect, constateerden ze: ‘Daardoor toch verheft Zeeman zich van uit den rang van habitueel onderzoeker, en treedt hij op als ontdekker.’

En deze ontdekking heeft Zeeman gedaan, niet bij toeval, maar ze rechtstreeks zoekende. Dat het hem gelukt is ze te doen, met hulpmiddelen die à posteriori bij velen als volstrekt onvoldoende geoordeeld werden, toont dat hij een eigenschap bezit, die niet aangeleerd kan worden, alleen ontwikkeld, n.l. de eigen-
schap om instinctmatig te voelen, welken weg ingeslagen moet worden, om een combinatie van physische omstandigheden daar te stellen, dien de hoogste effecten oplevert. Daardoor is alles wat hij doet in zekere zin ‘volmaakt’.50

Tot slot nog even terug naar die gedenkwaardige nazomer van 1896. Waarom deed Zeeman juist toen zijn proef? Naast de al genoemde verklaringen - Onnes uit de buurt, over Faradays mislukte poging gelezen, fijn verstelbare spleet beschikbaar - is er nóg een mogelijke reden, een die tot nu toe niet is genoemd. Kort voor de ontdekking van begin september had Zeeman bij Onnes zijn licht opgestoken over een vrijgekomen betrekking bij Van der Waals. De experimentator W.H. Julius, sinds 1891 in Amsterdam buitengewoon hoogleraar, was 8 augustus 1896 in Utrecht benoemd tot gewoon hoogleraar. Zeeman schreef naar Bad Reichenberg dat hij wel trek had in die baan. Onnes liet zijn assistent weten dat hij Van der Waals na de vakantie, zodra hij hem zag, desgevraagd ‘eerlijk’ zou antwoorden, maar dat al zijn ‘kinderen’ hem lief waren. Ook Sissingh en Du Bois waren ‘goede kandidaten’ en ‘laboratorium-administrateur’ Siertsema kwam ook in aanmerking. Het hing er maar van af wat voor iemand Van der Waals als lector naast zich wenste. Dat Zeeman voor de Lorentz-serie had gekozen, zag Onnes niet als voordeel. ‘Waart gij in de cryogenica terecht gekomen zoals Kuenen in der tijd, dan zoudt ge voor v.d.W. een meer in 't oog vallend candidaat zijn geweest dan thans.’51

Het is denkbaar dat Zeeman augustus 1896 in een alles-of-niets-poging zijn proef nog eens wilde proberen in de hoop zichzelf bij een positieve uitkomst als ontdekker van een nieuw, spectaculair effect voor de post in Amsterdam te lanceren. Zo veel moeite was het nu ook weer niet. Maar het moest wel snel, anders hoefde het niet meer. Of het succes Van der Waals' beslissing heeft beïnvloed is onduidelijk, maar Zeeman kon dat najaar in Amsterdam aan de slag.


Vorige Volgende

Over het gehele werk

auteurs