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

35 Epiloog: het Kamerlingh Onnes Laboratorium

Aan Willem Keesom en Wander de Haas de opdracht de erfenis van Kamerlingh Onnes hoog te houden. Hun uitgangspositie was voortreffelijk. Niet alleen konden ze beschikken over een uitgebreid en verbouwd laboratorium, dankzij de buitengewoon royale gift van de Rockefeller Foundation ($100.000 in tien jaar) voor de aanschaf van instrumenten en de extra subsidie van de overheid (oplopend tot ƒ 10.000 per jaar vanaf 1928) voor het aanstellen van bijbehorende onderzoekers maakten ze een vliegende start.

En inderdaad: Keesom boekte voorjaar 1926 direct succes met vast helium. Een mooie opsteker, maar het beslissende idee (het afkoelen van vloeibaar helium onder hoge druk) was hem het jaar ervoor toegespeeld door de Poolse gastonderzoeker Wolfke. En nadat het nieuws het sterrenkundig observatorium Malabar in ons Indië had bereikt, schreef Karel Bosscha (de man die ooit Heike hielp bij het sleutelen aan zijn eerste pompen en die met een royale gift de leeszaal Bosscha mede mogelijk had gemaakt) aan Lorentz dat hij in 1921, toen Onnes het kouderecord op 0,80 graad boven het absolute nulpunt stelde, ook al het zetten van druk had geopperd.1

Ook het onderkennen van de zogeheten lambda-overgang in vloeibaar helium van 2,19 kelvin en de bijbehorende twee typen helium (1 en 11), met uiteenlopende eigenschappen, is een hoogtepunt uit Keesoms beginjaren als directeur.2 Samen met dochter Anna Petronella heeft Keesom in de jaren dertig veel van deze eigenschappen bepaald. In 1936 vonden ze dat helium 11 ‘suprawarmtegeleidend’ was.3 Kort daarna werd in het buitenland bij helium 11 het ene na het andere zonderlinge effect ontdekt.

De Haas had meer tijd nodig om tot een aansprekende prestatie te komen. Mei 1933, een jaar na de officiële ingebruikstelling van de grote elektromagneet, wist hij via toepassing van adiabatische demagnetisatie een temperatuur van 0,27 kelvin te bereiken.4 Dat betekende een verpulvering van het Leidse kouderecord, dat sinds februari 1932 (dankzij nóg krachtiger afpompen van vloeibaar helium dan Onnes in 1921 had gepresteerd) door Keesom op 0,71 kelvin was gebracht.5 Probleem met het resultaat van De Haas - dat voor een groot deel op het conto van zijn medewerker Eliza Cor-

nelis Wiersma kwam terwijl ook theoreticus Hans Kramers een bijdrage leverde - was alleen dat de Universiteit van Californië hem voor was geweest. En dat het geen wereldrecord was. Een maand eerder, op 12 april 1933, had William F. Giauque (van oorsprong een Canadese elektrotechnicus) bekend gemaakt dat hij drie dagen eerder in Berkeley 0,25 kelvin had gehaald.6 Dat zal voor Leiden een hele teleurstelling zijn geweest, al pakte De Haas op 7 juli het kouderecord terug: 0,08 kelvin.7

Adiabatische demagnetisatie als koeltechniek is in 1926 (onafhankelijk van elkaar) voorgesteld door William Giauque en Peter Debije (toen hoogleraar in Göttingen). Het werkt als volgt. Wanneer een paramagnetisch zoutkristal (De Haas gebruikte aanvankelijk het dure ceriumfluoride) bij lage temperatuur (1 kelvin) in een magneetveld (30 kilogauss met de grote magneet) wordt geplaatst, gaan de magnetische assen van de atomen in het kristalrooster één kant op staan. De vrijkomende warmte wordt afgevoerd via warmtecontact van het kristal met vloeibaar helium. Wordt nu het veld uitgeschakeld, en is het kristal inmiddels geïsoleerd van de omgeving (door het helium weg te pompen), dan gaan de atomaire magneetjes enigszins ‘zwabberen’ (demagnetisatie). Dat kost energie die niet van buiten aangevoerd kan worden (adiabatisch systeem) en het kristal is dus gedwongen de warmte aan zichzelf te onttrekken: het zout koelt af.

Leiden was dus in 1933 even niet meer het koudste plekje op aarde. Het Kamerlingh Onnes Laboratorium, zoals het complex aan het Steenschuur sinds een jaar heette, moest opboksen tegen steeds meer cryogene concurrentie. Het monopolie op vloeibaar helium was in 1923 gebroken door McLennan in Toronto, maar de Canadees vormde verder geen gevaar. Anders lag dat met het laboratorium van Meissner in Berlijn, dat in 1925 slaagde. Charkov, in de Oekraïne, had in 1930 vloeibaar helium. In 1931 won het National Bureau of Standards in Washington in de Verenigde Staten vervolgens de race van Berkeley, dat onder leiding van Giauque in 1933 zover was - om direct het idee van adiabatische demagnetisatie met succes toe te passen. Datzelfde jaar produceerde het Clarendon Laboratory in Oxford zijn eerste vloeibare helium (Kurt Mendelssohn, die nazi-Duitsland ontvluchtte, had uit Breslau een kleine liquefactor meegenomen), in 1934 gevolgd door het Mond Laboratory in Cambridge (ontwerp: Peter Kapitza). Toen Stalin later dat jaar Kapitza na een familiebezoek aan zijn geboorteland vasthield, maakte deze van de nood een deugd en kreeg ook Moskou vloeibaar helium. Onderzoek naar supergeleiding, superfluïde helium en adiabatische demagnetisatie was een internationale aangelegenheid.

Het verlies van een kouderecord is op zich niet dramatisch, het interessantst zijn de verschijnselen die een nieuw-ontsloten cryogeen gebied te

zien geeft, en hun duiding. Toch, in die proliferatie van koude raakte het Kamerlingh Onnes Laboratorium gaandeweg de jaren dertig zijn dominante positie kwijt. Nog altijd was Leiden een internationaal centrum voor lage temperaturenonderzoek, en werden aan het Steenschuur door medewerkers van Keesom en De Haas vorderingen van formaat geboekt. Gastonderzoekers droegen daaraan bij. Zoals Lev Schubnikow, opgeleid in Leningrad en een meester in het maken van eenkristallen. Begin jaren dertig kwam hij samen met zijn vrouw (en fysicus) Olga Trapeznikova voor vier jaar naar Leiden, waar hij zeer zuivere bismuthkristallen maakte en de weerstand in een magneetveld bepaalde.8 (Terug in de ussr viel hij in Charkov ten prooi aan de Stalin-terreur.) Periodieke fluctuaties in die magnetoweerstand als functie van de temperatuur heten het Schubnikow-De Haaseffect. Pieter van Alphen, een promovendus van De Haas, onderzocht vervolgens het diamagnetisme van bismuth, wat bij lage temperatuur als functie van het magneetveld bleek te fluctueren: het De Haas-Van Alpheneffect.9

Mooie fysica, maar een aantal echt belangrijke ontdekkingen (Meissnereffect, superfluïditeit) werd gemist. Hoe kon dat gebeuren bij die enorme ervaring? Een verklaring zou kunnen zijn dat de splitsing van het Leidse laboratorium in twee zelfstandige afdelingen - cryogeen werk en thermodynamica (directeur: Keesom) en magnetisch, elektrisch en optisch onderzoek (directeur: De Haas) - niet goed heeft uitgepakt. Versnippering lijkt geen recept om de slagvaardigheid te vergroten. Al in de tijd van Onnes leidde een omvangrijke inbreng van buitenlandse gastonderzoekers (met een waaier aan onderwerpen) tot verzwakking van het thermodynamische werk van Keesom. Na de dood van Onnes bleven die gasten toestromen. Wie wil winnen moet over een team beschikken dat groot genoeg is om tempo te maken en dat eenheid uitstraalt. Casimir, die in 1933 uit Zürich (waar hij assistent van Wolfgang Pauli was geweest) naar Leiden terugkeerde en tot 1942 (het jaar dat hij naar Philips overstapte) conservator was van de magnetische en elektrische afdeling, vond de bijdragen van Keesom en zijn school en die van De Haas en zijn school ‘een samenhangend geheel’.10 Niettemin dringt zich de vraag op of twee gelijkwaardige directeuren met ieder het commando over een handvol assistenten de juiste aanpak was om buitenlandse concurrenten voor te blijven. In 1933, het jaar dat Giauque de eerste was met adiabatische demagnetisatie, moest Leiden nóg een teleurstelling incasseren: juist toen De Haas en zijn assistent Josina Jonker (de echtgenote van Casimir) hun meetopstelling klaar hadden om de hypothese van het ingevroren veld aan de tand te voelen, kwam Meissner met zijn bevinding dat supergeleiders ieder magneetveld buitensluiten.11

Wat de zaken in Leiden er niet beter op maakte was dat de heren directeu-

ren niet met elkaar overweg konden. Een kwestie van incompatibilité d'humeur. Keesom was een tweede Onnes (zij het saaier en minder creatief), oerdegelijk en betrouwbaar, een groot liefhebber van omvangrijke meetprogramma's. De Haas, wiskundig minder onderlegd maar met een scherpe fysische intuïtie, was veel grilliger. Hij was een man van gekke invallen, van slimme trucjes, iemand die 's nachts samen met zijn amanuensis (Van de Starre) experimenteerde om niet gestoord te worden.12 Die uiteenlopende karakters botsten, waarbij kwam dat de atheïst De Haas niets moest hebben van de katholieke vroomheid van Keesom. Bovendien had De Haas de gewoonte bij discussies hatelijke venijnigheden voor zich te houden, om ze achteraf toch te ventileren tegenover medewerkers of studenten. Waarna ze alsnog het slachtoffer bereikten, wat kwaad bloed zette. Nu was Keesom de baas over de cryogene installaties en het verdelen van schaars helium over afdeling 1 en 2 gaf wel eens wrijving.13

Wat betreft de adiabatische demagnetisatie verbeterden De Haas en Wiersma in 1935 hun kouderecord tot 0,0044 kelvin.14 Na de Tweede Wereldoorlog probeerde C.J. Gorter, die vanaf 1948 weer als enige directeur van het Kamerlingh Onnes Laboratorium optrad, het idee van de adiabatische demagnetisatie toe te passen op atoomkernen. Maar Leiden verloor van Oxford, waar Franz (Francis) Simon in 1956 een temperatuur van 0,000016 kelvin bereikte. Voortaan lag het koudste plekje op aarde buiten Leiden.

De Leidse theoretische natuurkunde was na de dood van Lorentz in 1927 geheel in handen van Paul Ehrenfest. Die leed aan zelfkritiek en gebrek aan zelfvertrouwen, aan angst de natuurkunde niet meer te kunnen bijbenen op een niveau dat hij noodzakelijk achtte. Zo diep werden zijn depressies dat hij september 1933 eerst zijn geestelijk gehandicapte zoon doodschoot en vervolgens zelfmoord pleegde. Een jaar later werd Ehrenfest opgevolgd door Hans Kramers. Toen deze coryfee in 1952 overleed, werd Casimir, inmiddels mededirecteur van het NatLab van Philips, gepolst om terug te keren naar Leiden. ‘[I]k zou hem hebben kunnen opvolgen,’ schreef Casimir in zijn autobiografie. ‘Maar toen ik ging kijken in het Instituut voor Theoretische Natuurkunde in Leiden werd ik neerslachtig. De oude kamers, de oude bibliotheek waren bijna precies als vroeger, zonder nieuw leven, zonder duidelijke tekenen van groei. Er was nauwelijks administratieve hulp, er was maar heel weinig geld voor reizen en voor het uitnodigen van sprekers uit het buitenland. Ik keerde terug naar een verleden dat mij dierbaar was geweest maar dat nu moest worden veranderd, en ik was al te zeer deel van dat verleden geweest om zelf die verandering te kunnen bewerkstelligen.’15 De hoogtijdagen van Lorentz en Ehrenfest waren voorbij, talenten als Uhlenbeck en Goudsmit weken uit naar Amerika, Casimir naar Philips.

Toen na de Tweede Wereldoorlog de injectie van de Rockefeller Foundation eindelijk was uitgewerkt, meldde zich direct een nieuwe weldoener. De N.V. De Bataafsche Petroleum Maatschappij schonk het Kamerlingh Onnes Laboratorium een miljoen gulden ter vergroting van de capaciteit van de cryogene installaties. Ook kwam er in de kelder een installatie voor hoge magneetvelden (maximaal 4000 ampère bij 6000 volt) en werd de glasblazerij uitgebreid en verplaatst. In 1952 werden de uitbreidingen in gebruik gesteld.16 Intussen zat fysiologie, dat al in de jaren dertig naar het nieuwe terrein van het academisch ziekenhuis zou verhuizen, nog altijd aan de Zonneveldstraat. In 1960 was het leed (geldgebrek) geleden en kon de sloop van het Physiologisch Laboratorium beginnen. Ervoor in de plaats kwam een betonnen bak (die in het grondwater dreef om minder last te hebben van trillingen) met op de bovenste verdieping het Instituut Lorentz voor theoretische natuurkunde. Relikwieën van het oude instituut, zoals de Lorentz-poort en de handtekeningenwand met namen van sprekers op de colloquia Ehrenfestii (waaronder die van Einstein, Heisenberg, Oppenheimer en Planck), werden overgeheveld naar de nieuwbouw aan de Zonneveldstraat.

Het einde van het Kamerlingh Onnes Laboratorium zette begin jaren zeventig in met de bouw van het Huygenslaboratorium buiten de stad, in de Leeuwenhoekpolder. Het bood plaats aan sterrenkunde, astrofysica, kosmische straling, moleculaire natuurkunde, biofysica en het natuurkundig practicum. Mei 1976 was de officiële opening; de feestrede uitspreken deed Casimir. Niet lang daarna, terwijl milieukunde en rechten beslag legden op overtollige ruimte in het Kamerlingh Onnes Laboratorium, klonk steeds luider de roep om een unilocatie in de Leeuwenhoek. De Leidse instrument-makersschool betrok in 1997 een nieuw pand achter het Huygenslaboratorium, symbool van de voortgaande ontvlechting van de opleiding en het laboratorium.

Pal voor het Huygenslaboratorium verrees het scheefhangende J.H. Oortgebouw, waarin onder andere het Instituut Lorentz onderdak vond, terwijl een trillingsvrije meethal opzij van het Oortgebouw tot het nieuwe Kameringh Onnes Laboratorium werd uitgeroepen. Opzij van die hal, feestelijk geopend in bijzijn van de familie Kamerlingh Onnes, zijn historische voorwerpen van de oude locatie bijeengebracht, zoals een heliumliquefactor (die van 1908 staat in Museum Boerhaave), een Burckhardtvacuümpomp uit 1899, een elektromagneet met waterkoeling, de ramen van Zeeman en de handtekeningenmuur. Beroofd van hun vertrouwde omgeving maken ze een wat ontheemde indruk.

Een nieuwe bestemming van het oude complex, dat bij gebrek aan onder-

houd steeds treuriger oogde, was niet eenvoudig gevonden. Het herbarium zou er intrekken, het gebouw zou een transformatie ondergaan tot Grand Hotel, er zouden luxe appartementen in komen. Maar al die plannen leden schipbreuk. Uiteindelijk werd de Steenschuur-locatie aangewezen als nieuwe vestiging van de Rechtenfaculteit (die in de in Vreewijk gelegen laboratoria voor organische en anorganische chemisch was gehuisvest). Na een ingrijpende restauratie en verbouwing - de aanbouwtjes langs de Langebrug en de oorspronkelijke Anatomievleugel werden gesloopt, het binnenterrein kreeg een overkapping en de oude hoofdingang werd in ere hersteld - is het Kamerlingh Onnes Gebouw, zoals het complex is gedoopt, op 8 september 2004 door prins Constantijn feestelijk geopend.

Zes jaar eerder organiseerden de fysici een officieel afscheid van hun oude, beroemde laboratorium. Weer was het Casimir die het woord voerde: ‘Vaarwel mijn Kamerlingh Onnes Laboratorium, verwacht een andere heer.’

Het Kamerlingh Onnes Laboratorium is niet meer, leve het Kamerlingh Onnes Laboratorium! Zo'n naam, met alle roem en rijke historie die eraan verbonden zijn, moet je in ere houden. Dat vond ook een internationale beoordelingscommisssie die de Leidse fysica van 2002 doorlichtte (en aan experimentatoren én theoretici hoge cijfers uitdeelde). ‘In contrast to physical infrastructure,’ aldus de commissie, ‘well-known names of institutes remain an asset even if they no longer reflect the organizational structure of the departments. These names should remain visible to the outside world.’17

Een pleidooi om Oortgebouw en Huygenslaboratorium op te laten gaan in het nieuwe Kamerlingh Onnes Laboratorium?


Vorige Volgende

Over het gehele werk

auteurs