3e8.nl

Korte geschiedenis natuurkunde

De pagina is nog in ontwikkeling.

800 v. Chr. - 500 na Chr.: Klassieke Oudheid

Hoewel de Grieken de eerste stappen zetten in de natuurwetenschappen verzuimen ze, op een enkeling na, systematisch beweringen te onderzoeken; het kenmerk van de latere natuurkunde. Thales van Milete (ca 600 v. Chr.) is bekend met zeilsteen (een gemagnetiseerde stukje rots) en meent dat deze een ziel bevat omdat ze andere stoffen aantrekt.

Ook het atoom als kleinste ondeelbare deeltje is slechts een filosofisch idee van Leucippes en Democritus (circa 480 v. Chr.); geen van beiden onderzoeken de waarheid van dat idee.

Plato en Aristoteles

Plato (circa 430 v. Chr.) vindt dat alle kennis van de goden komt. Aardse beslommeringen zoals het doen van een experiment kan nooit een waarheid over de wereld laten zien vindt hij. Zijn leerling Aristoteles (circa 380 v. Chr.) denkt daar anders over. Hij komt onder andere met een theorie over vier elementen waaruit alles is opgebouwd: aarde-water-vuur-lucht; maar ook Aristoteles onderzoekt deze beweringen niet. Aristoteles ontwikkelt ook ideeën over kracht: (a) een kracht kan alleen maar doorgegeven worden door contact tussen twee lichamen (Aristoteles erkent geen kracht op afstand), en (b) kracht is nodig om een constante snelheid te behouden ($F_{res}=m\times v$ zou je nu opschrijven). Beide ideeën zijn minder vreemd dan het lijkt en stemmen goed overeen met het gevoel van bijvoorbeeld kinderen over kracht en beweging.

Met Aristarchus (310 - 230 v. Chr.) weten de Grieken dat de aarde om de zon draaide; het zo geheten heliocentrisch wereldbeeld. Hij plaatst de planeten in de juiste vorlgorde en schat ook redelijk correct de onderlinge afstanden tot de zon.

Archimedes in 250 v. Chr. ontdekt waarom voorwerpen drijven (en loopt naakt rennend over straat Eureka! roepend), Erastosthenes bepaalt in ca 200 v.Chr. met metingen de straal van de aarde en Hipparchus maakt rond 120 v. Chr. waarschijnlijk het eerste overzicht van sterren aan de hemel.

50 na Chr. - 600; Romeinse Rijk

Weliswaar ontwikkelen de Romeinen vooral technische- en bouwkundige zaken (cement, vloerverwarming, boogconstructies, aquaduct) voor wetenschap hebben ze vrijwel geen interesse. Heron van Alexandrië; (ca. 10 na Chr – 70 na Chr.) maakt de eerste soort stoom machine: de aeolipile. Daarnaast vindt hij ook de windmolen uit.

Geocentrisch wereldbeeld

Door de grote invloed van Plato, raakt het correcte heliocentrische wereldbeeld volledig vergeten. Claudius Ptolemaeus (87-150 n. Chr.) schreef in zijn Almagest dat de aarde het centrum was van het heelal en dat de zon dus om de aarde draaide; het geocentrisch wereldbeeld. Het geocentrische wereldbeeld voorspelde: (a) hoe de sterren bewogen rond de aarde, (b) hoe lang een jaar was, en (c) ongeveer wanneer het lente of herfst werd. En met kleine maar wel steeds meer aanpassingen kon het model beschrijven hoe de planeten rond de aarde bewogen. Het geocentrische systeem bleef uiteindelijk tot circa 1550 gebruikt, vooral omdat het voldoende goed waarnemingen kon voorspellen.

500 - 1500; Middeleeuwen

Onder het bewind van de kerk was het in de Middeleeuwen vrijwel onmogelijk om (wetenschappelijke) vragen te stellen; laat staan om systematisch antwoorden te zoeken. Wetenschap ontwikkelde zich niet; en technisch is eigenlijk alleen het kompas ontwikkeld. Filosofie was wel mogelijk. Ondere andere Ockhams scheermes: Het idee dat je bij een theorie of verklaring alle franje weg moet snijden: een eenvoudiger theorie die metingen ook verklaart, is beter. Het is een belangrijke gedachte die heeft bijgedragen aan de latere ontwikkeling van de wetenschap.

1500 - 1600; Rennaissance

Copernicus: Heliocentrisch wereldbeeld

Zeg rond 1550 vond in een periode van ongeveer honderd jaar een kentering plaats. Die begon bij Nicolas Copernicus. Copernicus stelde voor om een heliocentrisch zonnestelsel te gaan gebruiken vooral omdat het bestaande geocentrische-model door de vele aanpassingen erg ingewikkeld was geworden.

Johannes Kepler schreef in 1610 zijn Astronomia Nova (nieuwe sterrenkunde) waarin het liet zien dat planeten in ellipsen rond de zon draaien en hoe de planeten over die ellipsen bewegen.

Beweging en kracht

Met Galileo Galileï kwam de natuurkunde goed op gang. Galileo deed vooral veel heel metingen: dat de slingertijd vooral afhangt van de lengte, dat — als er geen wrijving is — voorwerpen bewegen met een constante snelheid (wat we tegenwoordig Newtons eerste wet noemen), het idee van vrije val, het principe van relativiteit van beweging, hij maakte een themometer, ontdekte de vier manen van Jupiter, bestudeert de fasen van Venus en Mercurius en ook zonnevlekken, probeert de lichtsnelheid te meten, de tekent heel precies het oppervlak van de Maan, probeert de snelheid van het licht te meten enz. enz.

Verschillende mensen onder wie Robert Hooke en de in Den Haag geboren Christiaan Huygens doen verdere experimenten met kracht en beweging. Huygens komt met het idee van behoud van impuls ($\sum m_i v_i=$constant) bij elastische botsingen. Daarnaast valt het ook op dat de som het product $\sum mv^2$ (het dubbele van de kinetische energie) constant blijft bij botsingen. De Duitse wiskundige Gottfried Wilhelm Leibniz noemt het product vis-viva (levende kracht). Er was discussie welke van beide vergelijking juist was. (Beide bleek later.)

Warmte, temperatuur, gassen en atomen

In 1643 maakt de Italiaan Toricelli de eerste drukmeter en stelt voor dat er een ruimte kan zijn zonder iets lucht, vacuüm. Robert Boyle gebruikt het instrument in 1662 om te onderzoek dat voor een gas druk en volume omgekeerd evenredig zijn: $p \propto 1/V \leftrightarrow pV = C$.

Lading

Rond 1660 heerst het idee dat sommige voorwerpen electrische vloeistoffen bevatten: een positieve - en een negatieve vloeistof. Geladen stoffen hebben een overschot van één van beide en stoten dezelfde vloeistof af

Licht?

In Delft maakt Antonie van Leeuwenhoek rond 1670 de eerste microscoop waarmee hij onder andere eencelligen ontdekt. Ole romer doet in 1676 de eerste geslaagde meting van de lichtsnelheid waarbij hij op een snelheid uitkomt die ongeveer 25% te langzaam ten op zicht van de huidige waarde. Newton neemt de waarde over in zijn Principia en legt uit dat het licht zeven of acht minuten nodig heeft om vanaf de zon ons te bereiken.

Huygens houdt zich heel breed bezig.overigens nog veel meer dan ontwikkelt een hele nauwkeurige slingerklok, kijkt met een zelf gemaakt telescoop naar de ringen van Saturnus, Christiaan Huygens constateert dat impuls behouden blijft. In 1678 schrijft hij een boek over licht waarin hij uitlegt waarom licht verandert van richting op het grensvlak van stoffen. Huygens hanteert daarvoor het storingsmechanisme waarbij ieder punt van een golffront zelf een nieuwe bron wordt, later het Huygens-principe genoemd.

Isaac Newton

Het was uiteindelijk Isaac Newton die alle ideeën over beweging bijeen bracht tot een samenhangende theorie in zijn Principia in 1687. Newton hanteerde het idee van behoud van impuls $p=mv$ en dat een kracht de oorzaak was van verandering van impuls, ofwel verandering van beweging: $F_{res}=\Delta p / \Delta t = ma.$ Daarnaast maakte Newton duidelijk dat de gravitatiewet die voor de beweging van de planeten zorgt, dezelfde gravitatie is die op aarde zorgt voor de val van voorwerpen. Met zijn gravitatiewet maakte Newton kracht-op-afstand mogelijk, een idee dat sinds de grieken eigenlijk werd afgewezen. Er was nog wel veel discussie over de waarheid van Newtons ideeëen omdat men kracht op afstand maar moeilijk wilde accepteren en ook omdat er te weinig mogelijkheden waren om zijn wetten experimenteel te testen.

1700; Verlichting

Newton over licht

Ook Newton schrijft over licht, in 1704 waarin hij zijn metingen beschrijft waaruit blijkt dat wit licht bestaat uit een spectrum van kleuren: rood-orangje-geel-groen-blauw-indigo-violet. (Aristoteles meende dat wit licht puur, of kleurloos was en door contact met andere stoffen verdonkerde tot een kleur.) Huygens en Newton deden beide proeven over licht. Newton meende dat licht bestaat uit deeltjes die worden uitgezonden door een lichaam, de emissie-theorie. (kijk maar naar het spectrum van wit licht: het bestaat uit deeltje van verschillende kleuren) en Huygens meende golven (licht gedraagt zoals watergolven).

Temperatuur en stoom

In Amsterdam maakt de Pools-Deense Nederlands Daniel Gabriel Fahrenheit in 1714 de eerste kwikthermormeter. In 1732 maakt de Engelsman Thomas Newcomen de eerste Atmosferische machine. Daniel Bernoulli kwam in 1738 met het idee dat je gas bestaat uit kleine deeltjes en dat je het gedrag kon beschrijven met de bewegingswetten van Newton. Bernoulli’s idee raakte echter vergeten. Met behulp van water en ijs komt de Zweed Anders Celsius in 1742 met een huidige celsius-schaal; overigens in een andere volgorde: Hij geeft kokend water 0C en ijs geeft hij 100 C.

Mechanische energie

Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil, Markiezin van Châtelet vertaalt rond 1730 (ze is dan ongeveer 24 jaar) Newtons Principia in het frans en voegt daaraan toe een beschouwing over behoud van energie, waarvan $1/2 mv^2$ slechts een term is. Alle energie waarbij de eenheid $kg m^2 s^{-2}$ is, blijft behouden stelt ze. Landgenoot Joseph-Louis Lagrange werkt dit idee van energie-behoud verder uit en komt in 1782 met een volledig wiskundige onderbouwing van Newtons mechanica, maar dan bezien vanuit energie. Lagrange is vooral trots dat hij geen afbeelding nodig heeft om de theorie uit te leggen. (Newtons Principia staat vol met afbeeldingen.)

James Watt: Verbeterde stoommachine

James Watt maakte enorm veel verbeteringen aan de stoommachine zodat deze rond 1774 op grote schaal kon worden ingezet. Het leverde het begin van de industrieële revolutie.

Antoine Lavoisier

Hoewel al langer wordt gespeculeerd over het bestaan van atomen, laat Antoine Lavoisier rond 1778 verschillende stoffen verbranden waarbij hij heel precies de massa meet van de reactieproducten. Omdat de massa voor en na de verbranding precies hetzelfde zijn, maakt Lavoisier op dat er geen deeltjes veloren gaan, wat volgens hem wijst op het bestaan van kleinste deeltje van een stof; de atomen.

Om warmte en temperatuur te verklaren komt hij ook met het idee van een calorische vloeistof: (a) het is een elastische vloeistof waarvan de deeltje elkaar afstoten; (b) calorische deeltjes worden aangetrokken door gewone materie, (c) calorische vloeistof kun je niet maken of vernietigen (blijft behouden) en (d) je kunt de vloeistof meten en het effect ervan zien (smelten bijvoorbeeld).

Echter al binnen twee jaar in 1789 blijkt vooral het idee van warmte-behoud niet te kloppen. Tijdens het boren van gaten in metaal voor kanonnen blijven zowel de boor als het kanon altijd maar warmte produceren; en dat iss in strijd met Lavoisiers idee van behoud van calorische vloeistof (warmte).

Het metrisch stelsel (nu het S.I.-stelsel) is een bedenksel van Lavoisier in 1791 en wordt in Frankrijk snel ingevoerd. Niet veel later op 7 mei 1794 verliest Lavoisier onder guillotine zijn hoofd in de Franse revolutie omdat hij geld van de revolutie zou hebben gestolen en omdat hij — voor verkoop — water bij tabak zou hebben gedaan. Tijdgenoot Lagrange merkt op: ‘Het kostte hen een moment om hem te onthoofden, maar in nog geen 100 jaar krijgen ze een gelijke.’

Franse wiskundigen

Inmiddels bemoeiden Franse en Duitse wiskundigen zich ook met de natuurkunde. Jean d’Alembert kwam rond 1746 met een wiskundige beschrijving van een golf. Lagrange schreef in 1784 een boek over een andere, meer wiskundige benadering via energiebehoud van de mechanica van Newton. Daarna legden in een periode van ongeveer 100 jaar mensen onder wie Lapace, Fourier, Bernouli, Euler, Poisson, Gauss een enorm wiskundig fundament onder de dan bestaande natuurkunde.

Onder andere Atwoods machine leidde in 1784 tot experimenten die Newtons bewegingswetten bevestigden.

De "Electriciens"

Zo noemde zich de groep onderzoekers die probeerden uit te leggen wat electricieit was. Pieter van Musschenbroek maakte aan de universiteit Leiden een Leidse fles om de electrische vloeistof in op te slaan, het was een soort simpele batterij (te zien in museum Boerhave in Leiden). Het is Charles-Auguste Coulomb die in 1784 systematisch onderzocht hoe ladingen op elkaar reageren waarbij opnieuw het idee werd bevestigd dat er zoiets was als een kracht op afstand.

Batterij

In 1799 maakte Alessandro Volta de eerste batterij van koper en zink.

1800

Gassen en een atoommodel

John dalton, Gay Lussac en Amedeo Avogadro ontdekken begin 1800 hoe een (ideaal) gas zich gedraagt en komen met de ideale gaswet $pV=nRT$. De Schot John Dalton publiceert in 1808 een atoommodel: (a) atomen zijn de kleinste ondeelbaare onderdelen van een stof, (b) gelijk elementen hebben gelijke atomen met alle dezelfde eigenschappen, (c) verschillende atomen kunnen samen verbindingen vormen, en (d) bij chemische reactie worden de atomen geherrangschikt. Met Daltons model kunnen heel veel chemische experimenten, waaronder verbrandingen en oxidaties, eindelijk worden verklaard.

Licht

In 1807 lieten Augustin Jean Fresnel en Thomas Young met het later beroemde tweespleten experiment zien dat licht een interferentiepatroon kan maken. Daarmee leek het pleit beslecht: Licht is een golf.

Het is William Prout die in 1813 vaststelt dat de atomaire massa van alle op dat moment bekende stoffen een veelvoud zijn van de massa van waterstof. (Een ‘prouton’ was de voorloper van de later benaming proton).

De Duitse lenzenmaker Joseph Ritter von Fraunhofer maakt in 1814 een spectroscoop, een optisch instrument waarmee je spectra van lichtbronnen kunt maken. Fraunhofer richt zijn spectroscoop op de zon en ziet een discontinu-spectrum met daarin ongeveer 570 zwarte banden (ontbrekende golflengtes).

Koppeling magnetisme en electriciteit

Aanvankelijk hadden de electriciens geen idee dat magnetisme en electriciteit aan elkaar waren gekoppeld tot Hans Christian Oersted ontdekte in 1820 dat een magneetnaald wordt afgeboden door een elektrische stroom in een draad. De Franse autodidact Marie-Ampère herhaalt de proeven en geeft een wiskundige verklaring waarom twee gelijk gerichte elektrische stromen elkaar afstoten, zoals magneten dat ook doen.

Michael Faraday ondekte rond 1821 dat hij met een bewegende magneet electriciteit kan opwekken: inductie. Rond 1827 werkte Georg Ohm aan elektrische weerstand en ruim twintig jaar later formuleert Gustav Kirchhoff zijn wetten over behoud van stroom en spanning.

James Prescott Joule: Warmte

Bierbrouwer en aanvankelijk amateur wetenschapper James Prescott Joule ontdekt in 1843 dat hij elektrische stroom kan omzetten in warmte: $P=UI$. Maar Joule gaat verder, hij wil weten of warmte dezelfde soort energie is als mechanische energie. Met een opstelling kan hij uiteindelijk tot op ongeveer 0,1% precies inderdaad meten dat je mechanische energie kunt omzetten in warmte (Watt’s stoommachine doet het tegenovergestelde). Met het experiment van Joule is nu voor het eerst duidelijk gemaakt dat bij processen energie behouden blijft en dat je daarbij ook de vrijgekomen warmte moet beschouwen.

Ludwig Boltzmann

Hoewel hij niet de eerste is, rekent Ludwig Boltzmann in 1868 aan de snelheidsverdeling van moleculen in gassen. Het laat zien dat de maximale snelheid direct afhangt van de temperatuur.

Periodiek systeem

Diverse scheikundigen probeerden al een ordening aan te brengen in de toenemende hoeveel ontdekte elementen, maar het is uiteindelijk de Rus Dimitri Mendeleev die in 1869 ordent op grond van de atoommassa. Medeleev voorspelt met zijn model ontbrekende elementen.

Niet ideale gassen

Op grond van het idee dat atomen in werkelijkheid geen puntmassa’s zijn maar een afmeting hebben, en dat de atomen op kleine afstand krachten op elkaar uitoefenen (de Van der Waals krachten) komt Johannes Diderik van der Waals in 1878 met een aanpassingen van de ideale gaswet. Onder andere blijkt dat stoffen bij een hele lage (kritische) temperatuur geen overgang vertonen tussen de fasen vloeistof en gas.

Elektromagnetisme

Uiteindelijk in 1879 publiceerde James Clerk Maxwell een complete theorie over magnetisme en electriciteit waarin hij de ideeën van van Ampère, Oersted, Faraday en Gauss samentrok tot een aantal wiskundige vergelijkingen (hoewel Hertz en Heaviside ze van twintig tot de bekende vier herformuleerde). Maxwell voorspelde dat zijn theorie ook zoiets als electromagnetische verschijnselen kan opwekken die bewegen met ongeveer $3\cdot10^8$ m/s; niet geheel toevallig de snelheid van licht. Het theoretische bouwwerk van Maxwell staat bekend als een klassieke veldtheorie.

Het is Heinrich Hertz die rond 1886 is staat om de voorspelde elektromagnetische golven te maken die hij over een afstand van vier meter kan verzenden; in feite het eerste radiosignaal. Nicola Tesla maakt ondertussen in 1888 de eerste electromotor op wisselstroom en in de jaren daarna pleit hij in Amerika voor een hoogspanningsnet op wisselstroom om electriciteit aan woningen aan te bieden.

Sommige wetenschappers meenden rond 1880 dat de natuurkunde waarschijnlijk geen grote verassingen meer zou opleveren; hoogstens hier en daar nog enkele cijfers achter de komma. De natuurkunde was klaar..., dachten ze.

1900 en daarna

Atoomfysica

Max Planck wordt algemeen gezien als de man die natuurkunde in 1900 modern maakte. Een groep aanvankelijk vooral Duitse natuurkundigen onder wie Hertz en Kirchhoff gingen op zoek naar de samenhang tussen em-straling en materie en naar wat atomen zijn (domein E2). Dat leidde in ongeveer vijfentwintig jaar tot de baanbrekende quantummechanica waarin grootheden niet meer continu waren en statistiek zijn intrede leek te doen in de natuurkunde (domein F1 van de syllabus). Parallel in 1900 ontwikkelden mensen zoals Thomson, Rutherford, Becquerel en Curie de atoom- en deeltjesfysica (domein B1 en E3) wat in horten en stoten leidde tot het huidige Standaard model in de tweede helft van de 21ste eeuw.

Extreem lage temperatuur

Het koudste plekje op aarde, zo stond in 1908 het Kamerling Onnes gebouw in Leiden bekend. In dat jaar had Heike Kamerling Onnes in zijn speciaal daarvoor ingerichte lab deze lage temperatuur bereikt en Helium vloeibaar gemaakt bij ongeveer 3K. Kamerling Onnes wil de beweeringen van Van der Waals onderzoeken. Door verder af te koelen lukt het om 0,9 K te halen. Een paar jaar later was hij in staat om rond deze temperaturen de elektrische weerstand te meten van onder andere kwik en deze bleek — op zijn meetbeer apparatuur — nul te zijn: Kamerling Onnes had supergeleiding ontdekt.

Relativiteit

Albert Einstein denkt al vanaf 1900 in z’n eentje na over de relativiteit van beweging; onder andere dat je inductie op twee manier moet verklaren, zint hem niet. Hij ontwikkelt in 1904 de speciale relativiteitstheorie waarbij hij uitgaat van twee ideeën: (a) bij constante snelheid zijn de natuurwetten zijn voor iedere waarnemer hetzelfde en (b) iedereen meet dezelfde lichtsnelheid. Daaruit laat hij zien dat tijd en ruimte zelf ook veranderlijk zijn en slechts het podium zijn waarop de natuurkunde zich afspeelt.

Snel daarna komt hij van 1912 tot 1916 de algemene relativiteitstheorie. Globaal geeft die aan dat energie ($E=mc^2$ massa is ook energie) de ruimte kromt en de ruimte geeft aan hoe energie (massa) beweegt. Einstein laat zien dat Newtons gravitatie een bijzonder geval is van lage snelheden en op een lokaal niveau. (Howel je bij GPS-plaatsbepaling al rekening moet houden met de effecten). Terloops zet Einstein ook de eerste stappen in de cosmologie: De theorie die de ontwikkeling van het heelal beschrijft. Cosmologie is sinds de meting van de zogeheten achtergrondstraling achtergrondstraling dat een perfecte planckkromme vertoont met een temperatuur van $2,7$ K.

Behoud

Behoudswetten spelen een toenemende rol in de natuurkunde. Het is de Duitse Emmy Noether die in 1912 laat zien in zeer wiskundige artikelen dat iedere behouden grootheid een logische consequentie is van een symmetrie van de natuur. Zo is energie symmetrisch in de tijd en impuls symmetrisch ten op zichte van plaats. Omdat ze vrouw is, mag Noether niet aan het werk op de universiteit Göttingen en werkt ze een tijd zonder aanstelling en zonder salaris als assistent van de wiskundige David Hilbert.

Quantumveld theorie

Niet alleen lading en energie zijn gequantiseerd, ook velden zijn gequantiseerd. Dat bleek toen Paul Dirac rond 1926 de quantummechanica ging combineren met de veldentheorie van Maxwell tot de quantumveldentheorie. Deze zeer abstracte wiskundige theorie geldt met de quantummechanica nog steeds als het fundament waarop alle andere natuurkunde rust. De quantumveldentheorie is direct verbonden met het eerder genoemde standaardmodel en is vermoedelijk nog niet af.

Transistor en de microchip

Als natuurkundigen de structuur van atomen en metalen beginnen te begrijpen, realiseren ze zich dat het mogelijk zou moeten zijn om zogeheten halfgeleiders te gaan maken. Het trio William Shockley, John Bardeen en Walter Brattain fabriceren daarmee in 1959 de eerste transistor: Eigenlijk een elektrische kraan waarmee ze elektrische stroom (elektronen) kunnen laten lopen. Door transistor steeds verder te verkleinen en meer bij elkaar te plaatsen ontstaat de microchip die tot de ontwikkeling leidt van de computer.

Huidige grote vragen zijn onder andere: Wat is donkere energie? Hoe verklaren we de statische metingen van de quantummechanica? Hoe moet het verder met het standaardmodel (en zijn strings misschien het antwoord?) Hoe startte de oerknal?❰