Logboek 2018/4 Herfst in Gorcum

Een onmogelijke en dus mislukte poging een electron zichtbaar te maken, dat rond een atoomkern draait met rondspetterende virtuele subatomaire deeltjes rond zich (bron: ScienceNews)

Zaterdag 15-12-2018

Vroeger op de HBS, in de eerste helft van de jaren 60, werd op de natuurkundeles het atoommodel van Rutherford uitgelegd. Een bevredigend model, want het atoom leek op een miniatuur-zonnestelsel. Rond de positief geladen atoomkern draaiden de negatieve electronen hun baantjes. Het model dateert van 1911 en was allang achterhaald door het atoommodel van Niels Bohr. Onze docent natuurkunde, de heer Vrolijk, legde ook dat uit. Waar de electronen waren, was niet duidelijk. Ze vormden een soort wolk van negatieve electrische lading rond de nog steeds positief geladen atoomkern. Ik herinner me dat ik het niet mooi vond, dat nieuwe model. Die cirkelvormige negatieve wolkenbanen noemde hij ook wel schillen, als bij een ui. In zo'n schil kon maar een beperkt aantal electronen. De schillen lagen op specifieke afstandjes van elkaar af, die bepaald werden door vaste hoeveelheden energie: de quanta. Als je voldoende energie (een quantum) toevoerde, konden ze naar een hogere schil springen. Vielen ze weer terug dan zonden ze dezelfde hoeveelheid energie uit in de vorm van een foton. Een lichtdeeltje. Het drong niet tot me door wat dat precies betekende, maar je kon er wel sommen mee oplossen.

     Tijdens mijn medische studie had ik eigenlijk nooit meer met het atoommodel te maken. Pas veel later, eind jaren 70, besefte ik dat meneer Vrolijk eigenlijk impliciet het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg had uitgelegd, zonder het te noemen en zonder te zeggen dat Heisenberg daarmee de fundamentele onkenbaarheid van de werkelijkheid poneerde. Het komt voor dat ik denk dat - had hij dat wel gedaan - ik toen waarschijnlijk fysica gekozen zou hebben en wetenschapper was geworden. Ik heb het hem overigens nooit kwalijk genomen.

Het electron is zowel golf als deeltje. Nog altijd stel ik het me als een punt voor, een oneindig kleine punt van lading. Veel te klein om zichtbaar te zijn. Een bol heeft drie ruimtelijke dimensies, een cirkel twee, een rechte lijn één - en een punt geen. Het electron is net zoiets als een punt aan de horizon, of als het einde van een regenboog: je komt er nooit dichter bij, het is voorgoed onbereikbaar. Er is een limiet die je probeert te benaderen in de termen van de klassieke fysica en de relativiteit, de fysica van Newton en Einstein, maar een limiet die je nooit zult overschrijden. Je kunt weliswaar rekenen aan het elektron, maar in de uitkomsten bleek altijd een onhanteerbare oneindigheid te zitten. Dat is de oneindigheid, die in een model niet te vatten is. Het is dan ook vreemd om te zeggen dat het electron in 1897 ontdekt is (door J.J. Thomson). Hoe kun je iets ontdekken dat onbereikbaar is?

     Rond een electron is niets: een vacuüm. Het probleem van de onzekerheid van het electron is dat het zich niet in een volmaakt vacuüm beweegt. De ruimte rond een electron is omgeven door een chaotische wirwar van virtuele subatomaire deeltjes, die voor ultrakorte periodes in het vacuüm onstaan en weer verdwijnen. Omdat ze zo ongelooflijk kort bestaan, mogen die deeltjes als het ware heel eventjes energie van het vacuum 'lenen' zonder dat daardoor de wet van behoud van energie wordt geschonden. Het effect is dat er altijd een variabele hoeveelheid extra energie is - vacuümenergie, en die is niet nul.

     Toch bleek het mogelijk om de massa en de electrische lading van een electron experimenteel te bepalen en er berekeningen mee te maken. Die bleken te kloppen, ondanks de principiële oneindigheid en onbereikbaarheid van het electron in de klassieke fysica. Dat werd mogelijk door een methode in de quantumfysica, die renormalisatie werd genoemd. En dat ga ik de komende dagen proberen te snappen. Beter laat dan nooit.

Geen Geminiden gisteravond, want bewolkt. Vanmorgen ook bewolkt en slechts twee graden. Tessa en haar kinderen komen langs. Ik loop 's middags even de stad in, de kraag op tegen de kou. Het is erg druk en gezellig met in de winkelstraten musici en koren die kerstliedjes zingen. Er rijdt een kersttreintje rond met kinderen en stadsomroeper Grünewald loopt ervoor. in tenue Hij roept 'Joho, joho!', net als de kerstman. Ook zie ik twee metershoge, lopende kerstbomen, waarbovenuit de hoofden van twee meisjes uitsteken met grijsgeverfde gezichten. Gele hesjes zag ik niet. Vanavond hebben we feest, de verjaardag van buurvrouw Arina. Er is kans op sneeuw vannacht en morgenochtend.  Terug naar boven