|
| |
| |
| |
6 De Solvay-congressen en de moderne fysica
Pierre Marage en Grégoire Wallenborn
Een van de markantste gebeurtenissen in de geschiedenis van de wetenschappen in België in de loop van de 20ste eeuw is ongetwijfeld de organisatie door Ernest Solvay (1838-1922), vanaf 1911, van de befaamde ‘Conseils de Physique’. Deze hebben zo zeer hun stempel gedrukt op de geschiedenis van de moderne fysica dat men mag aannemen dat zonder hen de fysionomie van deze wetenschap niet dezelfde zou zijn als die welke wij vandaag kennen. Ook al kunnen individuele geleerden ontegensprekelijk aanzienlijke invloed uitoefenen op de ontwikkeling van de wetenschappen waarin ze werken, toch zijn deze voor alles het product van arbeid in gemeenschappen die het eens worden over de manieren waarop problemen worden gesteld en opgelost. Derhalve bieden wetenschappelijke congressen, voor zover ze toelaten rechtstreeks deel te nemen aan de beraadslagingen en confrontaties, een bevoorrechte invalshoek voor de studie van processen inzake kennisverwerving. Zeker als deze congressen, zoals de Solvay-congressen, plaatsgrijpen op sleutelmomenten in de ontwikkeling van een discipline en ze daarenboven bewust georganiseerd zijn om de discussie te bevorderen.
Eerst zullen we Solvays beweegredenen voor het versturen van de uitnodigingen voor het congres van 1911 trachten te begrijpen, alsook die van de fysici die er aan hebben deelgenomen. Vervolgens zullen we aantonen welke rol de eerste zeven Solvay-congressen, van 1911 tot 1933, hebben gespeeld in de geschiedenis van de fysica.
| |
▪ Ernest Solvay en zijn ontmoeting met de fysica
Ernest Solvay was één van de grote figuren van het Belgische kapitalisme in de 19de eeuw. Deze autodidact, die een immens fortuin heeft vergaard met een nieuw industrieel procédé voor de productie van soda, was tevens een denker en een groot mecenas. Naar eigen zeggen heeft hij vooral steeds een geleerde willen zijn. Beïnvloed door vulgariserende literatuur, op een moment dat de wetenschap werd voorgesteld in het onbuigzame en algemene teken van de vooruitgang, bouwde Solvay zijn eigen ‘energetische’ theorieën. Hij ijverde om de fysischscheikundige, de biologische, de sociale en de politieke wereld te vatten onder dezelfde wet, onder dezelfde methode: ‘Ik heb, tussen de nieuwe wegen der Wetenschap, drie richtingen ontwaard die ik ben gevolgd, drie problemen die volgens mij in
Ernest Solvay. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles. ▪
| |
| |
realiteit slechts één probleem vormen; eerst een probleem uit de algemene fysica: de samenstelling van de materie in tijd en ruimte; dan een probleem uit de fysiologie: het mechanisme van het leven, van de eenvoudigste uitingen tot de fenomenen van het denken; tenslotte, op de derde plaats, een probleem dat de eerste twee aanvult: de evolutie van het individu en van de sociale groepen’.
Solvays gevarieerde belangstelling blijkt uit verschillende teksten, en vooral uit de creatie van een reeks instellingen, die althans voor een deel waren bedoeld om zijn denken uit te diepen. Hij stichtte in 1891 een Institut de Physiologie, in 1893 een Institut des Sciences sociales (in 1902 omgedoopt tot Institut de Sociologie), in 1904 een Ecole de Commerce. Het kan zelfs verwonderlijk lijken dat Solvay de fysica niet veel eerder van zijn vrijgevigheid heeft laten genieten, daar hij haar beschouwde als de fundamentele wetenschap. Hij zou echter wachten tot wanneer hij een vooraanstaand geleerde had ontmoet, de Duitse natuur- en scheikundige Walther Nernst (1864-1941), met wie hij in contact kwam in 1910 na tussenkomst van Robert Goldschmidt (1877-1935), hoogleraar aan de ULB. Nernst, die om zijn onderzoek te bevorderen wellicht een rijke industrieel wilde benaderen uit rivaliteit met de Zweed Svante Arrhenius (1859-1927), die de lakens uitdeelde bij de Nobel-stichting en de toekenning van de prijzen, zou Solvay ervan overtuigen een internationale bijeenkomst van eminente fysici te organiseren om fundamentele problemen uit de fysica te bespreken. Solvay van zijn kant verlangde ernaar gerenommeerde geleerden samen te brengen omdat hij hun mening wilde weten over zijn theorie van de ‘gravito-materialitiek’, waarvan hij zelf zei dat ze ‘eerder van filosofisch-natuurkundige dan van algemeen-natuurkundige orde is’.
Het vernieuwende van de organisatie van het eerste Solvay-congres voor de gemeenschap van fysici moet worden benadrukt. Vanaf de jaren 1850 vonden in toenemende mate buiten de academiën in verschillende wetenschappelijke disciplines samenkomsten plaats van geleerden, en deze internationale congressen werden vooral georganiseerd om de uitwisseling van informatie en de standaardisering van de resultaten te coördineren, zo bijvoorbeeld de congressen voor statistiek, meteorologie, scheikunde, antropologie, wiskunde, enz. Maar de fysici bleven op een vrij geïsoleerde wijze werken, ook al waren er contacten tijdens de jaarlijkse vergaderingen van nationale verenigingen (de natuurkundige sociëteiten van Duitsland of Engeland), of tijdens wereldtentoonstellingen zoals die van Parijs in 1900 of van Saint Louis in 1904, waar opmerkelijke rapporten aan het publiek werden voorgesteld, maar waar het kader een diepgaande wetenschappelijke discussie verhinderde.
Zoals we verder zullen zien zou het eerste Solvay-congres experimentele en theoretische fysici samenbrengen, en de vooruitgang van de theoretische fysica in het centrum van de discussies plaatsen. In het begin van de 20ste eeuw echter was het de experimentele fysica die het grootste prestige genoot, omwille van de ontdekkingen die ze opeenstapelde: elektromagnetische golven, elektronenstralen en het elektron, kanaalstralen, Zeeman-effect, röntgenstralen, radioactiviteit, enz. De theoretische fysica zelf heeft geaarzeld om zich als autonome discipline te doen gelden, en in het bijzonder om zich te onderscheiden van de toegepaste wiskunde, ook al werden de thermodynamica en het elektromagnetisme aan het eind van de 19de eeuw erkend als volledig aparte natuurkundige theorieën.
Het gespreksthema dat Nernst in juli 1910 aan Solvay voorstelde was dat van de introductie van de kwanten in de theoretische fysica. Hoewel het thema op dat moment erg marginaal was, had de Duitse geleerde al een jaar door dat de kwantenhypothese waarschijnlijk cruciaal was voor de fysica. Een maand daarvoor had hij aan Max Planck (1858-1947) voorgesteld om fysici bijeen te roepen om er over te discussiëren, maar deze was sceptisch: ‘de dringendheid en het belang van deze problemen zijn verre van voldoende erkend. [...] Naast ons interesseren, denk ik, enkel Einstein, Lorentz, Wien en Larmor zich ernstig voor de zaak’. Het was nochtans Planck die in 1900, teneinde het stralenspectrum van het zwart lichaam te beschrijven, een wet had voorgesteld die opmerkelijk werd bevestigd door het experiment maar die, in tegenstelling met de klassieke theorie - in het bijzonder met de statistische mechanica -, de kwantificering
| |
| |
van de energie op het ogenblik van de stralings-emissie leek te impliceren. In 1905 had Albert Einstein (1879-1955) dit voorstel uitgebreid tot de voortplanting van de straling zelf, en daarnaast het foto-elektrisch effect verklaard; in 1907 had hij tevens een beroep gedaan op deze nieuwe principes om het schijnbaar afwijkende gedrag te verklaren van de warmtecapaciteiten van bepaalde lichamen, in overweging nemende dat de atomen trillen op discontinue, ‘gekwantificeerde’ wijzen.
Na Einstein was Nernst de eerste om te denken dat de kwantenhypothese kan worden toegepast op andere fenomenen dan de straling, en dat ze tevens problemen kan oplossen die raken aan de structuur van de materie. Daarvoor heeft Nernst thermodynamische vergelijkingen, waarvan tot dan toe werd gedacht dat ze geen enkele moeilijkheid stelden, moeten aanpassen. Hij was dus vastbesloten om de discussie over de kwantenhypothese te bevorderen, en hij wilde het belang van de nieuwe theorie bevestigd zien door andere fysici.
Nernsts voorstel werd aanvaard en de eerste ‘Conseil scientifique’ (eerst was gedacht aan de benaming ‘Concile scientifique’) kwam samen op uitnodiging van Solvay van 30 oktober tot 3 november 1911. Het diende zich aan als een ‘soort privé-congres’ voor de geleerde elite om ‘een reeks controversiële punten van de moderne fysische theorieën te bespreken’. Nernst viel niet op, misschien om problemen van nationale aard met Fransen en Britten te vermijden, en de vergadering werd met brio voorgezeten door de Nederlandse fysicus Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928). De keuze voor Brussel, een regelmatige vergaderplaats voor wetenschappelijke congressen, kan belangrijk zijn geweest om de fysici van verschillende nationaliteiten ervan te overtuigen zich naar een ‘neutrale’ plaats te begeven.
| |
▪ De theorie van de straling en de kwanten: het eerste congres en de impact ervan
De grote innovatie van de Solvay-congressen bestond erin een beperkt aantal geleerden samen te brengen en veel ruimte te laten voor discussie. Een
Hendrik Antoon Lorentz Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
twintigtal eersterangs-wetenschappers namen deel aan het congres van 1911, onder wie Hendrik Antoon Lorentz, Marie Curie, Henri Poincaré, Max Planck, Albert Einstein, Heike Kamerlingh Onnes, Ernest Rutherford, Walther Nernst, Jean-Baptiste Perrin, Marcel Brillouin, James Hopwood Jeans, Wilhelm Carl Wien, Emil Warburg en Arnold Sommerfeld. Negen ervan hadden de Nobelprijs gekregen of zouden die later nog ontvangen. In de aanloop naar de ontmoeting met al deze prominenten in Brussel sprak Einstein van een ‘heksensabbat’.
Het thema van het eerste Solvay-congres was ‘De theorie van de straling en de kwanten’. Aangezien de stralingstheorie tot dan toe vooral de Duitsers had geïnteresseerd (naast Lorentz, Jeans, Larmor), is het opvallend dat nu theoretici en experimentatoren samenkwamen die zowel uit Frankrijk en
| |
| |
Brief van Marie Curie aan Walther Nernst (3 juli, 1911) waarin zij haar deelname aan het Solvay-congres van 1911 bevestigt Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
Engeland, als uit Duitsland, Oostenrijk, Nederland, Denemarken en België kwamen.
Onder Lorentz' leiding was het congres opmerkelijk goed voorbereid. Een twaalftal rapporten (Solvays verhandeling niet meegerekend...) werd uitgedeeld aan de deelnemers en voorgesteld door de auteurs: centraal stonden de stralingstheorie (Lorentz, Jeans, Warburg, Rubens, Planck, Sommerfeld) en het probleem van de soortelijke warmte (Einstein, Nernst); er waren ook mededelingen over ‘De bewijzen van de moleculaire realiteit’ (Perrin), de kinetische gastheorie (Knudsen), de elektrische weerstand bij lage temperaturen (Kamerlingh Onnes), het magnetisme (Langevin). Uitgebreide besprekingen van de rapporten, belangrijk voor het succes van het congres, werden meesterlijk geleid door de perfect meertalige Lorentz. De meeste deelnemers namen er actief aan deel, in het bijzonder Lorentz zelf, Langevin, Poincaré en Einstein.
In een korte openingsrede had Nernst verklaard: ‘De fundamentele en vruchtbare ideeën van Planck en Einstein moeten als basis dienen voor onze discussies; ze kunnen aangepast en uitgewerkt, doch niet genegeerd worden’. De facto brachten de werkzaamheden van het congres, reeds bij de bespreking van het inleidend rapport van Lorentz, het strijdig karakter van de klassieke mechanica met de wet van Planck voor het zwarte lichaam, en de noodzakelijkheid van de nieuwe concepten, volledig aan het licht. Een hulpeloze poging van Planck zelf en van Sommerfeld om van de klassieke theorie zoveel mogelijk te ‘redden’, zou niets opleveren. Ze zou Einstein doen opmerken: ‘Planck is geblokkeerd door enkele stellig onjuiste vooroordelen [...] maar niemand heeft er een heldere kijk op. Heel deze zaak bevat meer dan genoeg om een hele compagnie demonische jezuïeten in vervoering te brengen’.
Het congres is een evenement in de geschiedenis van de fysica in de mate waarin het de start betekent van de relegatie van de mechanica tot de rang van ‘klassieke’ fysica. Terwijl tot dan toe de kwanten voorbehouden waren aan een beperkt domein van de fysica (straling van het zwart lichaam en soortelijke warmte), hadden de op het congres opgeworpen vragen betrekking op de algemene toepassing van de nieuwe hypothese. Voor een invloedrijk geleerde als Henri Poincaré (1854-1912) was Brussel een keerpunt. Bij zijn terugkeer in Parijs ging hij aan het werk; hij publiceerde spoedig een artikel dat bewees dat ‘de kwantenhypothese de enige is die leidt naar de wet van Planck’. Omwille van Poincaré's immense prestige heeft deze stellinginname een grote impact gehad. Ingegeven door thermodynamici (Planck, Einstein, Nernst) kon de kwantentheorie zich voortaan uitbreiden naar nieuwe domeinen van de fysica: de ‘fysica van het elementaire’ kreeg een nieuw elan.
Alle historici van de moderne fysica onderlijnen het doorslaggevend belang van het eerste Solvay-congres voor de collectieve bewustwording van het belang der kwanten, en voor de progressie van de theorie. Max Jammer preciseert: ‘Het is gebruikelijk de periode waarin alle kwantenbegrippen en de voorgestelde principes uitsluitend verwezen naar de straling van het zwart lichaam of naar de harmonische trillingen te definiëren als eerste fase in
| |
| |
de ontwikkeling van de kwantentheorie. [...] Aanvaarden we deze definitie, dan kan men het Solvay-congres van 1911 beschouwen als het einde van deze fase, of als de prelude tot een nieuwe periode’. Opmerkelijk is dat Poincaré, met al zijn scherpzinnigheid, al tijdens het congres de noodzaak van de nieuwe ontwikkelingen opmerkte: ‘Wat mij heeft getroffen in de discussies die we hebben gehoord, is een zelfde theorie zich zien verlaten nu eens op de principes van de oude mechanica, dan weer op de nieuwe hypothesen die er de negatie van zijn’.
De invloed van het eerste congres zou veel verder reiken dan de kring van deelnemers, vooral dankzij de opmerkelijke Comptes Rendus, samengesteld door Maurice de Broglie (1875-1960) en Paul Langevin (1872-1946). Zo weten we uit zijn eigen getuigenis dat de passie van Louis de Broglie (1892-1987) voor de mysteries van de kwanten ontwaakt is tijdens het lezen van de Comptes Rendus die hij bij zijn broer Maurice had ontdekt. Gepubliceerd in het Frans in 1912, vertaald en gepubliceerd in het Duits in 1914, tellen ze niet minder dan 450 pagina's die alle rapporten en discussies hernemen. Een gedetailleerde transcriptie van deze laatste (Plancks 22 pagina's tellend rapport wordt gevolgd door een bespreking van 18 pagina's) toont de sterkte van het debat en laat toe de fascinerende vooruitgang van het denken van nabij te volgen.
| |
▪ De oprichting van de instituten voor fysica en voor scheikunde
De intense werkzaamheden, de diepgaande discussies, de grote tevredenheid van de deelnemers waren voor Solvay aanwijzingen dat zijn initiatief een succes was... ondanks de geringe belangstelling voor de ‘gravito-materialitiek’. Op Goldschmidts aanraden en met Lorentz' nauwe en bekwame medewerking zette hij zijn mecenaat voort en stichtte hij op 1 mei 1912, voor dertig jaar, een ‘Institut international de Physique’. De doelstellingen van het instituut waren het toekennen van subsidies aan buitenlandse onderzoekers of laboratoria, het toekennen van beurzen aan Belgische studenten voor hun vorming in het buitenland, en het organiseren van een ‘Conseil de Physique,
De deelnemers aan het Solvay-congres van 1911. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
| |
| |
analoog aan die welke is samengeroepen door M. Ernest Solvay in oktober 1911 en die de studie van belangrijke problemen uit de Fysica tot doel heeft. Het aantal deelnemers aan het congres mag niet meer dan vijfentwintig bedragen. De tekst van de verslagen van de werkzaamheden [...] zal worden gepubliceerd in het Frans’. De volgende congressen zouden dus twee principes handhaven die het eerste tot een succes hadden gemaakt: het samenbrengen van een elite van geleerden die een precies en actueel probleem bespreken, en de verspreiding van gedetailleerde verslagen opdat de congressen als klankversterker zouden dienen voor de recentste vernieuwingen in de fysica.
Volgens de statuten moest het instituut gezamenlijk bestuurd worden door een internationale wetenschappelijke raad van negen leden (in 1912: Hendrik Antoon Lorentz - voorzitter, Marie Curie, Marcel Brillouin, Robert Goldschmidt, Heike Kamerlingh Onnes, Martin Knudsen, Walther Nernst, Ernest Rutherford, Emil Warburg) en door een administratieve commissie van drie leden: een vertegenwoordiger van Ernest Solvay (de ingenieur Emile Tassel), een lid aangeduid door de Koning (Paul Héger, professor aan de ULB) en een vertegenwoordiger van de Université libre de Bruxelles (Jules-Emile Verschaffelt). De wetenschappelijke raad moest data, thema's en samenstelling van de congressen vastleggen en de internationale fondsen beheren; de commissie beheerde de fondsen van het instituut en kende beurzen toe aan jonge Belgische onderzoekers. In Solvays visie moest de commissie zijn controle over het instituut verzekeren, maar in realiteit zou de wetenschappelijke raad een grote autonomie genieten.
Charles Lefébure volgde Tassel op aan het hoofd van de administratieve commissie, en na Lorentz' dood in 1928 werd Paul Langevin voorzitter van de wetenschappelijke raad. De samenstelling ervan was steeds prestigieus en waarlijk internationaal. Dit waren de leden in 1933, tijdens het zevende congres: Langevin (Collège de France), Bohr (Kopenhagen), Cabrera (Madrid), Debye (Leipzig), De Donder (Brussel), Einstein (De Haan!), Guye (Genève), Joffé (Leningrad), Richardson (Londen). Dat Einstein op dat moment in De Haan was gedomicilieerd had als reden dat ook het wetenschappelijke milieu niet aan de toenemende dreiging was ontsnapt; Einstein, wiens banden met België bekend zijn, had een tijdelijk asiel gevonden in de Belgische badplaats vooraleer naar de Verenigde Staten uit te wijken.
Solvay zou in 1912 ook een Institut de Chimie oprichten. Hij had daartoe al contacten gehad vóór de eerste ‘Conseil de Physique’: in mei 1911 stelde de chemicus Wilhelm Ostwald (1853-1932) hem de creatie voor van een instituut, voorzien van een bibliotheek, een bibliografische afdeling en een afdeling voor nomenclatuur, dat op het vlak van de kennis een éénmakende rol zou spelen. Dit programma is een reflectie van de strategische overwegingen van Ostwald, toen verwikkeld in de energetismestrijd. Het project ging niet door, en er kwam een Institut de Chimie, gericht op de financiering van het onderzoek, zoals het Institut de Physique. De eerste ‘Conseil de Chimie’ vond plaats in 1922.
| |
▪ De structuur van de materie en de oude kwantentheorie
In 1913 werd een tweede congres samengeroepen rond het thema ‘De structuur van de materie’. Een bewijs van het succes van het eerste congres is dat heel wat deelnemers terugkeerden (Lorentz uiteraard, Nernst, Rutherford, Wien, Warburg, Brillouin, Kamerlingh Onnes, Langevin, Knudsen, Einstein, Sommerfeld, Curie, Jeans, Hasenohrl, Rubens, Lindemann, de Broglie). Onder de nieuwe deelnemers drie laureaten of toekomstige laureaten van de Nobelprijs: Joseph John Thomson (1852-1940), Max von Laue (1879-1960), William Henry Bragg (1862-1942). Centraal stond het golfkarakter van de X-stralen en hun diffractie (von Laue, Bragg), en een lang rapport van J.J. Thomson over zijn statisch atoommodel (de befaamde ‘plum pudding’).
Maar het jaar daarop begon de Grote Oorlog. Solvay, een groot patriot, is de initiatiefnemer van het Nationaal Comité voor Hulp en Voeding (na afloop van de oorlog werd hij door Albert I, met wie hij nauwe relaties had, benoemd tot Minister van Staat). België kende een wrede bezetting. De gedeeltelijke
| |
| |
vernieling van de bibliotheek van de Leuvense universiteit door een brand werd door de geallieerden toegeschreven aan de barbaarsheid van de bezetter. In oktober 1914 ondertekenden 93 Duitse intellectuelen, onder wie Röntgen, Nernst, Ostwald en Planck (die zou betreuren dat hij zich lichtvaardig had laten meeslepen) een Manifest dat het Duitse militarisme verdedigde. De rancune van de geallieerden zou na de oorlog uitbarsten. Zoals de ‘notice’ in het begin van de in 1921 gepubliceerde verslagen van het congres van 1913 aangeeft ‘is de druk van het verslag van de werkzaamheden van het congres voltooid in 1914, maar is het voor de administratieve commissie onmogelijk gebleken om de gedrukte tekst aan de Duitse censuur te onderwerpen en hem tijdens de bezetting te publiceren, wanneer in België elke collectieve activiteit van wetenschappelijke aard was opgeheven. De tekst van het hierna gepubliceerde verslag, oorspronkelijk geredigeerd in de verschillende talen gebruikt door de auteurs van de rapporten, is volledig in het Frans vertaald.’ (zoals voorzien in de statuten die mee in de Comptes Rendus zijn gepubliceerd).
Door de boycot waartoe chauvinistische Franse en Belgische wetenschappers opriepen, zouden de Duitse en Oostenrijkse geleerden, ondanks Lorentz' aandringen niet worden uitgenodigd voor de volgende congressen. Zelfs Einstein was omstreden, hoewel zijn pacifistische gevoelens erkend werden. Uit solidariteit met zijn Duitse collega's liet Einstein in 1924 weten dat, indien hij werd uitgenodigd voor het vierde congres, hij de invitatie publiekelijk zou afslaan. Pas in 1927, na de opname van Duitsland in de Volkenbond, werden de Duitsers, met instemming van Koning Albert, uitgenodigd voor het vijfde congres.
Op het congres van 1921 (gewijd aan ‘Atomen en elektronen’) bleek dat, ondanks de oorlog, veel vooruitgang was geboekt inzake de kennis van de structuur van de materie. Ernest Rutherford (1871-1937) hield een opmerkelijk exposé over het atoommodel met kern en over de kernstructuur zelf (ervaring van Geiger en Marsden, werken van Moseley en Aston). Vanaf 1911 had Rutherford onverschrokken zijn planetair model voorgesteld, hoewel hij perfect wist dat het, vanuit het standpunt van het klassieke elektromagnetisme, onstabiel was (de klassieke theorie voorspelde dat het elektron moest stralen, en in heel korte tijd op de kern moest vallen): hij had verklaard dat ‘het probleem van de stabiliteit van het voorgestelde atoom in deze fase niet aan de orde is’. De jonge Niels Bohr (1885-1962) had in 1913 een sleutel tot de verklaring aangereikt. Aan de hand van de argumentatie uit het artikel van 1913 legde Bohr in zijn rapport voor het Solvay-congres uit hoe de noodzaak tot het verklaren van de identiteit van de atomen, onafhankelijk van de initiële omstandigheden, het gebruik impliceert van de kwanten van Planck en Einstein. Deze kwantificering liet op zijn beurt toe de afwezigheid van straling van het elektron in een baan rond de kern te verklaren, en Rutherfords model te rechtvaardigen. Door zijn uitzonderlijk vernuft had Bohr grote successen behaald bij de verklaring van de structuur van de spectraallijnen van waterstof en helium, en zijn atoommodel werd snel in brede kring aanvaard. De conceptuele basis ervan bleef echter vaag. In zijn rapport voor het congres zei Paulus Ehrenfest (1880-1933) over Bohrs benadering: hij gebruikt ‘zoveel mogelijk [...] de klassieke regels [...]; daar waar dit onmogelijk is (straling) probeert hij, tussen de beweging in het atoom en de erdoor gevormde straling, minstens een zo groot mogelijke overeenstemming te vinden’. Maar dit ‘correspondentieprincipe’ is niet te
formaliseren, en met deze ‘oude kwantentheorie’ was het bij toepassing nog vaak rondtasten. Toch kon Maurice de Broglie, op het congres van 1924, uit een gedetailleerde bespreking van de foto-elektrische fenomenen dit besluiten: ‘Ondanks al wat nog ontbreekt, is het model van Rutherford-Bohr zeker het best aan onze redeneringen aangepast’.
Zoals steeds op de congressen was de vrije discussie voor de deelnemers een voordeel. Door een opmerking van Rutherford over het verschil tussen de massa van de heliumkern en vier keer de massa van het proton was Jean-Baptiste Perrin (1870-1942) de eerste om de bron van energie van de sterren te begrijpen: ‘Dit impliceert, rekening houdend met Einsteins formule over de kracht van energie, een verlies van energie (dat enkel kan worden veroorzaakt) door straling. [...] Ik zie in deze
| |
| |
straling de verklaring van het probleem van de zonnewarmte’. En in de daaropvolgende discussie had Rutherford een andere briljante ingeving. Hij stelde het bestaan voor van ‘deeltjes die men “neutronen” zou kunnen noemen en die zouden gevormd zijn door een positieve kern met een elektron op zeer korte afstand. [...] Ze zouden dienen als tussenstap in de vorming van kernen van elementen met een groot atoomgewicht’. James Chadwick (1891-1974), Rutherfords medewerker, zou elf jaar later het neutron ontdekken...
Het vierde congres, gewijd aan de ‘Elektrische geleidbaarheid van metalen en aanverwante problemen’, ging door in 1924, na de dood van Ernest Solvay in 1922.
| |
▪ Elektronen en fotonen: het debat Einstein-Bohr over de kwantummechanica
In 1927 vond te Brussel, zoals in 1911, opnieuw een gebeurtenis plaats die mythisch zou worden in de geschiedenis van de fysica: het betreft het begin van het publieke debat tussen Einstein en Bohr over de aard van de wetten zelf die de microscopische wereld regeren. Alles leende zich tot een theatraal, dramatisch verloop. De Duitsers waren terug en stelden een coherente interpretatie van de nieuwe ‘kwantummechanica’ voor die zich aanbood als een samenhangende en afgewerkte theorie. Daarnaast hadden Louis de Broglie en Erwin Schrödinger de golftheorie geformuleerd, die - dachten ze - toeliet een concurrerende interpretatie voor te stellen. Einstein tenslotte, die van 1905 tot 1925 aan de spits had gestaan van de vernieuwingen in het domein van de kwanten, toonde zich nu de tempelbewaarder van een deterministische interpretatie van de fysica.
Het vijfde congres had als thema ‘Elektronen en fotonen’. In enkele jaren tijd was het theoretisch landschap ontzettend geëvolueerd dankzij een nieuwe generatie onderzoekers. Terwijl Arthur Holly Compton in 1922 de corpusculaire aard van het licht, zoals voorgesteld door Einstein in 1917, experimenteel had geverifieerd door de diffusie van fotonen te observeren, had Louis de Broglie in 1924 voorgesteld aan de deeltjes zelf golfeigenschappen toe te kennen. Deze ingeving werd in 1927 bevestigd door de waarneming van de diffractie van elektronen (Clinton Davisson en Lester Germer, George Pagett Thomson). Alleen al in het jaar 1925 zijn twee nieuwe wiskundige theorieën de oude benadering van Bohr komen verdringen: in Göttingen hadden Werner Heisenberg, Max Born en Pascual Jordan de matrixmechanica uitgewerkt, in Cambridge had Paul Dirac zijn niet-commutatieve kwantumalgebra op punt gesteld (naar analogie van de haken van Poisson); voorts had Wolfgang Pauli zijn uitsluitingsprincipe bedacht, en hadden George Eugene Uhlenbeck en Samuel Goudsmit de notie spin van het elektron voorgesteld. In 1926 had Erwin Schrödinger, geïnspireerd door de thesis van de Broglie, Heisenberg uitgedaagd door een derde theorie voor te stellen, die van de golffunctie, waarvan hij snel de mathematische equivalentie met de matrixmechanica had bewezen. Born van zijn kant had de statistische interpretatie van de vergelijking van Schrödinger geformuleerd, terwijl Bohr voortdurend de gevolgen had belicht, voor het denken over natuurkundige fenomenen, van het verwarrend taalgebruik: een noodzakelijk klassiek vocabularium voor de beschrijving van experimenten, een niet-klassieke benadering voor de wiskundige structuren. In 1927 tenslotte had Heisenberg de kroon op het werk gezet met zijn onzekerheidsbeginsel. In 1928 zou Dirac de relativistische vergelijking van het elektron, met inbegrip van de spin, formuleren.
Dus wanneer het congres opende had de ‘oude kwantentheorie’, vol intuïties en probeersels, plaats geruimd voor de ‘kwantummechanica’; ditmaal bestond de theorie voor het grootste deel op wiskundig vlak. Of beter, meerdere theorieën bestonden naast elkaar, elk ondersteund door concepten die niet met elkaar te verzoenen leken. De meeste protagonisten in dit grote debat dat heeft geleid tot de moderne fysica namen aan het congres deel. Naast vertegenwoordigers van diegenen die nu de ‘oude generatie’ vormden - Lorentz, Curie, Einstein, Langevin, Planck, Bohr, Ehrenfest - waren aanwezig: Schrödinger, Louis de Broglie, Pauli, Heisenberg, Debye, Kramers, Dirac, Born, alsook
| |
| |
Compton, William Lawrence Bragg, C.T.R. Wilson. Bragg, Compton, de Broglie, Born en Heisenberg, Bohr en Schrödinger presenteerden briljante syntheserapporten. De meeste deelnemers, met uitzondering van Einstein, hadden elkaar een maand voordien gezien in Como ter gelegenheid van de Volta-herdenking. Bohr had er voor het eerst het ‘principe van de complementariteit’ uitgelegd. Maar Einstein wachtte Bohr op in Brussel! Ongetwijfeld maakten de sinds jaren bestaande nauwe banden, de deelname van een kleine uitgekozen elite, de voor discussie voorziene tijd, de avonden in elkaars gezelschap, de Solvay-congressen tot een ideaal kader voor deze uitzonderlijke strijd met als inzet de definitie van een theorie en uitgevochten met denkoefeningen.
Dat Bohr naar Brussel kwam, was ook in de eerste plaats om Einstein te ontmoeten. Later zou hij zeggen: ‘Sinds hun stichting is Einstein een van de markantste figuren van de Solvay-congressen geweest en meerderen van ons kwamen vol ongeduld naar deze conferentie om zijn reactie te kennen op de laatste ontwikkelingen die, naar onze mening, grote klaarheid hadden geworpen op de problemen die hij zelf, in beginsel, met zo veel scherpzinnigheid had gesteld’. Maar Einstein zou zich onbuigzaam verzetten tegen de statistische interpretatie van de kwantummechanica. Hoewel de interpretaties van Bohr, Heisenberg en Dirac verschilden wat betreft de zin die aan probabilistische gedragingen moet worden gegeven, waren de aanhangers van wat later de ‘School van Kopenhagen’ is genoemd het eens over het feit dat de microscopische wereld geregeerd wordt door drie intrinsiek statistische wetten. Volgens Einstein daarentegen ‘speelt God geen dobbelspel’, en was de probabilistische dimensie van de nieuwe theorie een weerspiegeling van haar onvolledigheid.
Volgens Langevin ‘bereikte de ideeënverwarring haar toppunt’ op dit congres. Ehrenfest zou opstaan om op het bord een zin uit de Bijbel te schrijven over de spraakverwarring bij de bouw van de toren van Babel. Toch zou Bohr later het belang van deze debatten verduidelijken: ‘Tijdens de zeer levendige discussies [...] stelde de dubbelzinnigheid van de terminologie grote moeilijkheden om tot over-
Albert Einstein en Niels Bohr in Brussel AIP Emilio Segrè Vista Archives ▪
eenstemming te komen over de epistemologische problemen. [...] De uitwisselingen begonnen tijdens de sessies, werden 's avonds gepassioneerd voortgezet, en de nog langere discussies met Einstein en Ehrenfest waren voor mij een zeer gelukkige ervaring. [...] De discussies waren een inspiratie om de situatie te blijven exploreren wat betreft de analyse en de synthese in de kwantumfysica, alsook wat betreft de analogieën in andere domeinen van de menselijke kennis waar de dagelijkse terminologie een beschouwing vraagt van de condities waaronder de proef is gebeurd’.
In 1930 op het zesde congres, over het magnetisme, zou Einstein het debat doen opleven. Bohr zei hierover: ‘Tijdens de volgende ontmoeting, op
| |
| |
het Solvay-congres van 1930, namen onze gesprekken een volstrekt dramatische wending’. Rosenfeld beschreef de sfeer in de Club van de Universitaire Stichting: ‘Einstein meende, met zijn befaamde doos waaruit op een bepaald moment een foton werd uitgezonden, en waarvan het gewicht voor en na de emissie de energie van het uitgezonden foton bepaalt, een tegenvoorbeeld van het onzekerheidsbeginsel te hebben gevonden. Bohr stond perplex en zag niet onmiddellijk een oplossing. De hele avond lang was hij erg ongelukkig, ging hij van de ene naar de andere om hen ervan te overtuigen dat dit niet waar kon zijn, dat, mocht Einstein gelijk hebben, dit het einde van de fysica zou zijn; maar een weerlegging vond hij niet. Ik zal nooit het beeld vergeten van de twee antagonisten wanneer ze de Club verlieten: Einstein, groot, kalm schrijdend, met een soort ironische lach, en Bohr, heel opgewonden rond hem dravend, zonder succes pleitend dat indien Einsteins handigheidje werkte dit het einde van de fysica zou zijn. De volgende ochtend triomfeerde Bohr en was de fysica gered; Bohr had het antwoord gevonden: de verplaatsing van de doos in het gravitatieveld gebruikt voor het wegen van de doos zou de frequentie van het horloge dat toeziet op de emissie van het foton verstoren met een kwantiteit die juist voldoende is om de onzekerheidsrelaties tussen energie en tijd te respecteren’.
Beeld u in: Einstein en Bohr, in de straten van Brussel...
| |
▪ Structuur en eigenschappen van atoomkernen: een ommekeer
Het zevende congres, in 1933, was gewijd aan de structuur van de atoomkern. De keuze kon niet gelukkiger zijn. Het jaar 1932 had immers de ontdekking gezien van het neutron door James Chadwick, die van het positron door Carl David Anderson (een bevestiging van Diracs voorspelling uit 1928), en die van deuterium door Harold Clayton Urey; voorts waren er de verbeteringen van Ernest Lawrence aan zijn cyclotron in Berkeley, en de studie van John Douglas Cockcroft en Ernest Walton van de eerste kernreacties uitgelokt door versnelde protonen. Op de Conseil zelf stelden Frédéric Joliot en Irène Curie - tegengesproken trouwens door Lise Meitner! - voorlopige resultaten voor die moesten leiden tot de ontdekking van de artificiële radioactiviteit. Op hetzelfde congres ontwikkelde Wolfgang Pauli zijn suggestie voor het bestaan van een nieuw deeltje, dat plaats nam naast het elektron, het proton, het neutron en het foton: het neutrino. Op basis van dit voorstel zou Enrico Fermi, eens terug in Italië, in enkele weken de eerste theorie van de zwakke wisselwerkingen formuleren.
In feite was de geschiedenis van de natuurkunde op een keerpunt gekomen. Een luisterrijke periode liep ten einde, die van de ontdekking van de radioactiviteit en van de atoomstructuur door Marie Curie en Ernest Rutherford, en die van de geleidelijke opbouw van de kwantumfysica door Max
Paul Dirac en Werner Heisenberg aan de ULB. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
| |
| |
Planck en Albert Einstein, gevolgd door Niels Bohr, Paul Dirac, Werner Heisenberg, Max Born, Erwin Schrödinger en Wolfgang Pauli. De basis van een theorie van de microscopische wereld was nu gelegd. Een nieuwe periode begon, die van een verpletterende accumulatie van experimentele resultaten, die van de ontwikkeling van de kernfysica.
Het is onmogelijk dat deze ommekeer in de geschiedenis van de fysica zich niet heeft laten voelen tijdens het Solvay-congres van 1933. Het volstaat de Comptes Rendus te doorbladeren om zich ervan te vergewissen. Een groep jonge, uitmuntende experimentatoren nam voor de eerste maal deel. Van de veertig deelnemers hadden er zes de Nobelprijs gekregen en zouden er elf hem nog ontvangen, wat dit congres tot een van de schitterendste internationale bijeenkomsten maakt die men zich kan voorstellen. Alle toekomstige Nobelprijslaureaten die aan het congres voor het eerst deelnamen waren experimentatoren: Patrick Blackett, Walter Bothe, James Chadwick, John Douglas Cockcroft, Irène Curie, Enrico Fermi, Frédéric Joliot, Ernest Lawrence, Ernest Thomas Sinton Walton. Ze zouden voortaan een dominante rol spelen. Meerdere lezingen waren in feite rapporten van resultaten verkregen door experimentele groepen. Foto's van bijzonder interessante gebeurtenissen werden toegevoegd, bijvoorbeeld ook van imposante instrumenten zoals de door Cockcroft gepresenteerde versneller, gefotografeerd naast een auto die heel klein lijkt om een idee te geven van de schaal.
Maar de ommekeer in de geschiedenis van de Solvay-congressen is diepgaander. Hun specifieke, unieke rol in de wetenschapsgeschiedenis eindigt met de periode waarin een beslissende rol in de fysica werd gespeeld door een samenkomst van een kleine elite die lange gesprekken voerde om de concepten van de theorieën in opbouw te verhelderen. Er was geen andere plaats dan de Solvay-congressen om de discussies van 1911 over de kwantentheorie te voeren, en de openheid van het debat Einstein-Bohr over de epistemologische fundamenten van de theorie kan men zich moeilijk elders dan in Brussel inbeelden. Daarentegen heeft de wetenschappelijke raad, zoals ook voorzitter Langevin erkende, zich lang afgevraagd of het opportuun was de kernfysica als thema te nemen voor 1933, daar in 1932 te Rome al een congres over dit onderwerp had plaatsgevonden. Brussel was niet langer onvervangbaar. Het aantal internationale conferenties nam toe en de samenwerking tussen fysici werd intenser.
De verandering blijkt tevens uit het feit dat het achtste congres, eerst voorzien voor 1936, meerdere keren werd uitgesteld, om uiteindelijk plaats te vinden in 1948. De internationale situatie, de politieke engagementen en de gezondheid van Langevin waren zeker voor een deel verantwoordelijk voor dit uitstel, maar ook de aarzelingen rond het te behandelen thema. Na de oorlog speelde de Amerikaanse wetenschap, gevoelig versterkt door de grootschalige immigratie van Europese wetenschappers op de vlucht voor het nazisme, en vervolgens door het Manhattan Project en de vervaardiging van de atoombom, een zeer dominante rol. Toch bleef het prestige van de Solvay-congressen groot, zoals blijkt uit de schitterende deelnemerslijsten, die verschillende Amerikaanse wetenschappers vermelden, van de congressen van 1948 over de ‘Elementaire deeltjes’, van 1951 over ‘De vaste toestand’, van 1954 over ‘De elektronen in de metalen’ of van 1958 over ‘De structuur en de evolutie van het universum’. En om het hierbij te houden, vermelden we nog dat het twaalfde congres, in 1961 aan de ULB en gewijd aan ‘De kwantumtheorie van de velden’, werd bijgewoond door Niels Bohr, Julius Robert Oppenheimer, Paul Dirac, Hans Albrecht Bethe, Werner Heisenberg, Richard P. Feynmann, Murray Gell-Mann, Rudolf Peierls, Eugene Paul Wigner, Freeman J. Dyson, Hideki Yukawa, William Lawrence Bragg, Y. Nambu, Sinitiro Tomonaga, Walter Heitler, Abdus Salam, Stanley Mandelstam, Geoffrey F. Chew.
Ilya Prigogine, de huidige directeur van de instituten, zegt het als volgt: ‘Vandaag is de taak van de instituten veel moeilijker. De wetenschap heeft zich enorm gediversifieerd, de wetenschappelijke bijeenkomsten hebben zich verveelvoudigd. Dat is de reden waarom ik - als directeur van de instituten sinds 1958 - getracht heb ook het onderzoeksaspect van de Solvay-instituten te ontwikkelen, wat trouwens conform de wens van de stichter was. Aldus
| |
| |
Eerbetoon aan Ernest Solvay door de deelemers aan het congres van 1933. Brussel, Archives de l'Université libre de Bruxelles ▪
zijn ze een “Mini-Institute For Advanced Study” geworden, toegespitst op domeinen die ongetwijfeld tot de belangrijkste bijdragen van de tweede helft van de 20ste eeuw zullen behoren: de complexe systemen, de onomkeerbaarheid, de chaos’.
| |
▪ Een balans
Men kan zich afvragen wat de betekenis is geweest van de deelname van Belgische geleerden aan de vooroorlogse Solvay-congressen. Het is duidelijk dat België, in tegenstelling tot bijvoorbeeld Nederland, in die tijd niet beschikte over een prestigieuze school voor fysica. Eigenlijk heeft in de hier behandelde periode slechts één Belgische geleerde een actieve rol gespeeld tijdens de congressen, zij het niet van eerste rang. Het betreft Théophile De Donder (1872-1957), professor aan de ULB en één van Einsteins eerste correspondenten over de algemene relativiteit. Andere Belgische geleerden namen deel aan het congres en waren lid van de wetenschappelijke raad (Goldschmidt, Verschaffelt, Van Aubel), maar mengden zich niet in de discussies en zouden geen origineel onderzoek verrichten in de domeinen die ons hier interesseren. ULB-professoren namen eveneens aan de congressen deel als genodigden: Emile Henriot (1885-1961) en Auguste Piccard (1884-1962). Jonge onderzoekers waren wetenschappelijk secretaris: Manneback in 1930, Rosenfeld en Cosijns in 1933.
De Solvay-congressen zijn een buitengewone getuige van de geboorte en ontwikkeling van de moderne fysica. De Comptes Rendus vertellen het hele verhaal, van de bestudering van de straling van
| |
| |
het zwart lichaam tot de observatie van het positron. Maar nog veel meer dan dat waren de congressen zelf een ‘acteur’ in deze geschiedenis. Het zijn zij die, bij minstens twee gelegenheden, de fysica hebben gemaakt. De ontmoeting van 1911 creëerde een collectieve bewustwording van de absolute noodzaak van de kwantenhypothese en van de onbeduidendheid van verzoeningspogingen tussen de theorie van het zwart lichaam en de klassieke fysica; deze resultaten zijn onverbrekelijk verbonden met de organisatie van de bijeenkomst zelf. Anderzijds hebben de congressen, vanaf 1927, de tegenstellingen tussen de interpretaties van Einstein en Bohr over het wezen van de kwantummechanica publiek gemaakt. Het is de aard zelf van de relaties die de deelnemers met elkaar hebben aangeknoopt die aan dit evenement zijn grote betekenis geeft, en in belangrijke mate vorm heeft gegeven aan de manier waarop de wetten van de microscopische fysica vandaag nog worden begrepen.
Zoals Heisenberg zei: ‘Het staat buiten kijf dat, in die jaren, de Solvay-congressen een essentiële rol hebben gespeeld in de geschiedenis van de fysica [...]. De historische invloed van de Solvay-congressen hield verband met de bijzondere stijl ingevoerd door hun stichter: een kleine groep van de bekwaamste specialisten uit verschillende landen die onopgeloste problemen in hun domein bespreken en zo de basis ontdekken voor hun oplossing’.
Het zeer bijzondere karakter van de Solvay-congressen verklaart hun succes gedurende de hele fase van theoretische uitwerking en verklaring van de moderne microfysica. Het verklaart ook waarom zij, eens deze periode afgesloten, bevoorrechte en prestigieuze getuigen bleven, maar niet even onvervangbare acteurs. Immers, de congressen, publicaties, reizen, kortom de uitwisselingen in het algemeen, werden talrijker en gediversifieerder; de fysici ontwikkelden hun discipline voortaan anders.
Men kan zich nog wagen aan een vergelijking tussen de initiatieven van Solvay en Nobel. Buiten de beweegredenen van de initiatiefnemers hebben ze heel verschillende lotsbestemmingen gekend. De Nobelstichting heeft ongetwijfeld, door de toekenning van de prijzen, een aanzienlijke rol gespeeld in de promotie van de wetenschap, en ze heeft tevens de relaties en krachtverhoudingen in wetenschappelijke (en niet-wetenschappelijke!) kringen beïnvloed. Ze heeft echter in essentie de bestaande wetenschap bekrachtigd. Solvays initiatief had een heel andere impact. Het is ongetwijfeld praktisch onbekend gebleven bij het publiek, maar het heeft (onafhankelijk van de rol die de Instituts internationaux de Physique et de Chimie vandaag spelen) direct ingespeeld op de wetenschap in wording, en in zekere mate bijgedragen tot de wijze waarop de kwantummechanica een fysische theorie is geworden.
|
|
Auteursrechtelijk beschermd