Moderne Fysica

by Carlo Vogels ©1998

Afgezien van een paar onbegrepen effecten, leek het er aan het begin van de twintigste eeuw op, dat er nauwelijks enige fundamentele fysica meer viel te doen. Men had het gevoel dat alles al was ontdekt. Immers men had de mechanica van Newton voor het beschrijven van het heelal, de theorie van Maxwell over elektromagnetisme en een redelijke beschrijving van de thermodynamica.

Studenten werd indertijd afgeraden om nog natuurkunde te gaan studeren, immer er zou nauwelijks nog droog brood in te verdienen zijn. Er waren nog wel een paar kleine probleempjes die voornamelijk te maken hadden met het atoom, maar deze zouden snel worden opgelost.

Het is daarom zo opmerkelijk dat de geboorte van de Moderne Fysica percies in het jaar 1900 valt. Dit is het jaar waarin Planck zijn formule voor de straling van een "zwart" lichaam presenteerde, een formule die was gebaseerd op de hypothese dat lichtenergie niet in elke willekeurige hoeveelheid voor kan komen maar in quanta wordt gedoseerd. Spoedig daarna werd men het erover eens dat er wel degelijk allerlei essentiŽle tekortkomingen waren in de bestaande theorieŽn met name in die gevallen waar klassieke mechanica en elektromagnetisme gelijktijdig betrokken waren. De verwoede pogingen om de reeds bestaande en nieuw verkregen inzichten in een consistente theorie onder te brengen heeft uiteindelijk geleid tot de quantumtheorie.

In 1900 kon Planck nog niet inschatten dat zijn formule zoín belangrijke consequenties zou hebben voor de natuurkunde. De bestaande afzonderelijke theorieŽn, dit zijn de Newtonse mechanica, elektromagnetisme en thermodynamica werden met behulp van de quantumtheorie tot ťťn continuŁm samengesmeden.

Naast de problemen met de atomen bestonden er ook nog enkele andere ďschoonheidsfoutjesĒ. Zo was er een "simpel" probleem uit elektriciteitsleer betreffende magnetische inductie. Hoewel dit probleem bekent was, maakte er zich niemand druk over. Alleen een jonge tot dan onbekende Zwitserse electrotechnische ingenieur Albert Einstein (1879-1955) maakte zich zorgen om het feit dat er 2 verschillende theorieen bestonden voor nagenoeg het zelfde verschijnel. Hij publiceerde in 1905 in zijn proefschrift de oplossing voor dit probleem. Zijn theorie had echter verstrekkendere gevolgen over onze eeuwen oude begrippen ruimte en tijd. Tijd werd als een soort vierde dimensie aan de bestaande drie dimensionale ruimte toegevoegd. Tijd en ruimte vormen sindsdien geen afzonderlijke begrippen meer maar zijn samengesmeedt tot een continuŁm. De theorie van Einstein welke, door het levengaat als de "speciale relativiteitstheorie", heeft inmiddels niet meer de status van theorie maar de veel hogere status ďfeitĒ. Het bewijs voor Einstein theorie was immiddels al gedaan door Mickelson en Morley, welke hadden gemeten dat de snelheid van het licht voor iedere waarnemer dezelfde moet zijn.

In 1915 ging Einstein nog veel verder met zijn ideeŽn over ruimte en tijd. Einstein ontdekte dat de tijd-ruimte zelf gekromd was, deze ontdekking leidde rechtstreeks naar de algemene relativiteitstheorie. Met deze theorie kon men beter het heelal beschrijven als met de theorie van Newton. Zo werd met deze theorie aangetoond dat de planeet Vulcanus welke uit Newtons theorie voorspeld was maar nooit ondekt was, niet bestond.

De moderne fysica kent nu 2 belangrijke pijlers, de quantumfysica en de relativiteitstheorie. De quantumfysica is geldig op atomair nivo. De relativiteittheorie is geldig op cosmisch nivo en bij hoge snelheden.Uit beide theorieŽn is het mogelijk om de newtonse mechanica af te leiden. De klassiek mechanica is een hele goede benadering op het tussengebied. Dit tussengebied betreft de meeste aardse zaken. De klassieke mechanica wordt hier zeer veel gebruikt omdat het leidt tot makelijke wiskundige modelen, waar we met betrekkelijk eenvoudige wiskunde te werk kunnen gaan.

Het atoommodel en het planetair-model vertonen zodanig veel overeenkomsten dat het onwaarschijnlijk lijkt dat voor het beschrijven hiervan twee totaal verschillende theorieŽn nodig zijn. Wetenschappers zijn daarom ook hard bezig om de relativiteitstheorie onder te brengen in de quantumtheorie. We zijn hiermee op de goede weg, de quantumveldentheorie getuigd hiervan. De elektromagnetische kracht en de zwakke wisselwerking tussen materie leveren de minste problemen op. De sterke wisselwerking wat meer en de gravitatiekracht het meeste.Maar men is druk bezig deze problemen te overwinnen. Men hoopt binnen niet al te lange tijd de vergelijking(en) van het heelal te kunnen poneren.

De wetenschappers streven naar een volledige unificatie van de natuurkunde. We zoeken dus ťťn of een stelsel van vergelijkingen, waarmee we het hele heelal kunnen beschrijven. Als men deze vergelijking(en) van het heelal heeft gevonden dan is men nog niet klaar. Het zullen dan waarschijnlijke moeilijke en differentiaalvergelijkingen zijn. De oplossingen van deze vergelijking zullen gevonden moeten worden met een hele grote computer. De oplossingen zullen hoogstwaarschijnlijk net zo moeilijk zijn als het heelal zelf en dat probleem wilden we juist oplossen. We komen dus dan niet weer in de zelfde situatie terecht als aan het begin van de 20e† eeuw heersde. Het vinden van de vergelijkingen van het heelal is geweldig maar het gaat uit eindelijk toch erom dat we dingen kunnen begrijpen waarom ze zo werken zoals ze doen. Want als je alles weet van verf wil nog niet zeggen dat je een Monalisa kunt schilderen.

De chaostheorie wordt door de wetenschappers na de relativiteitstheorie en de quantummechanica beschouwd als de derde grote revolutie binnen de natuurkunde in de twintigste eeuw. Na 1960 heeft de chaostheorie snelle vooruitgang geboekt dankzij het steeds krachtiger worden van computers. De chaostheorie beschrijft de niet-lineare dynamica en stelt zich tot doel om orde te scheppen in chaotische problemen. Voorbeelden van chaotische processen zijn bijvoorbeeld de weersgesteldheid, de werking van de hersenen, organisatie in bedrijven, economie, (elektromagnetische) ruis en turbulente vloeistof en gasstromingen (rook en wolken).

Het woord "chaos" roept in eerste instantie akelige visioenen op van wanordelijke toestanden waarin wetten buitenspel staan en er niet gestuurd en voorspeld kan worden. Doch gaat de chaostheorie over situaties waarin strikte regels gelden terwijl het dynamische gedrag er volstrekt wanordelijk uitziet. Bij de theorie wordt orde een bijzondergeval van wanorde opgemerkt.

Ook al kennen we de natuurwetten, een onnauwkeurigheid in de beginvoorwaarde (hoe klein ook) leidt na een bepaalde tijd tot onvoorspelbare situaties.

Zoals ook met alle andere wetenschappen is gebeurt zullen we met de chaostheorie ook oude illusies aan de kant moeten zetten terwijl er nieuwe uitdagingen voor in de plaats komen.

Ook wordt met de chaostheorie wiskundig herhaalde structuren zoals die van bomen en bladeren beschreven.

Als we streven naar volledige unificatie dan moeten we met de theorie ook het ontstaan van het leven kunnen beschrijven. Moeilijker zal het beschrijven van de evolutie van het leven zijn omdat het hier gaat om een samenwerking van vele chaotische processen te samen. Met de natuurkunde kunnen we bij volledige unificatie ook complexe processen van levende materie beschrijven zoals het functioneren van de hersenen en processen uit de biologie zoals voortplantingsdrang, dromen, vechtlust etc. Waarschijnlijk zullen onze hersens nooit zichzelf kunnen begrijpen. Met de komst van de computers zal een nieuw tijdperk in de menselijke evolutie kunnen beteken. De mens zal zijn intelligentie evolueren buiten zichzelf. We zullen steeds krachtigere apparaten proberen te bouwen welke de taken van onze eigen hersens zullen gaan overnemen.

Wetenschappers komen steeds dichter op de weg van de waarheid. Maar als we eenmaal lijken op deze plek te zijn, dan zouden er weer bepaalde problemen kunnen optreden die niet consitent zijn met de huidige theorie. Deze problemen zouden dan weer enkel fundamenten van de huidige theorie omver kunnen gooien. Het blijkt steeds in de wetenschap zo te zijn, voor ieder oplossing komen tien nieuwe vragen.

Zullen we ooit alles echt begrijpen?