Natuurkunde was in de oudheid geen aparte bezigheid, dat viel nl. onder het predicaat ‘natuurlijke filosofie’, en ook nu is er in de VS nog een groep die zich bezig houdt met hoofdzakelijk de nieuwe natuurkunde en die zich noemt ‘Natural Philosophy Alliance’. Wiskunde was de koningin van de wetenschappen. Dus als we iets zinnigs willen zeggen over wiskunde en wiskundigen in de wetenschap vandaag, dan doen we er niet verkeerd aan om bij het begin te beginnen.
Plato
En de eerste die we dan tegenkomen is de Griekse filosoof Plato (427-347 v.C.). Die vond dat we over de aardse werkelijkheid alleen maar meningen konden hebben en eeuwig redetwisten, maar kennis konden we alleen hebben over de ‘Ideeën’, een soort ideale superdingen waarvan alles op aarde was afgeleid, en dat hier door een gehandicapte schepper (demiurg) was vorm gegeven. Daarom was het allemaal zo krom en onlogisch. Over de Ideeën kon alleen de filosoof ons inlichten, die had dus een machtspositie op kennisgebied. Denken leidde tot kennis, onderzoek alleen tot verwarring. Vanuit de wiskunde deduceerde men de realiteit.
Aristoteles / Aquino
Thomas van Aquino
Zijn leerling Aristoteles (384-322 v.C.) vond dat maar een onvruchtbare opvatting. Hij gaf meer aandacht aan de werkelijkheid. Maar ook kennis daarover bekwam je niet door tellen, meten en wegen, maar door nadenken, eventueel na een eerste visuele kennisname. En zo bedachten deze mensen hoe de wereld er uit zag: de aarde, een bol in het middelpunt van alles, en daar omheen zon, maan en planeten, net dien verstande dat de maan het dichtstbij rond de aarde draaide, dan de zon, en dan de vijf toen bekende planeten: Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus. Daarbuiten de hemelsfeer met de sterren, en daarachter de ‘onbewogen beweger’. De banen van die hemellichamen bedachten zij ook: dat moesten cirkels zijn. Want dat waren de volmaakte vormen. Verder waren ook alle bewegingen cirkelvormig, en alleen onder de maan (het ondermaanse) konden bewegingen daarvan afwijken, waren niet volmaakt. Verder werd verondersteld dat alle planeten bevestigd waren aan doorzichtige bollen van ‘ether’, waardoor ze op veilige afstand van elkaar draaiden. Dus hier speelde het denken, en daarin de wiskunde, de overheersende rol. Waarnemingen werden niet erg hooggeacht, dan zat je in het domein van de demiurg.
In de kerk gold Plato als de gezaghebbende filosoof, vrijwel alle kerkvaders waren immers in die sfeer opgevoed en opgeleid. De Platonische tweedeling (natuur/genade) beheerste de kerkleer. Maar in de kruistochten had men verder gekeken en was Aristoteles ontdekt en de klassieke Griekse en Romeinse beschaving. De intellectuelen stichtten eigen universiteiten, waar buiten de kloosters om kennis van die beschavingen kon worden opgedaan. Wiskunde was ook een van de hoofdvakken.
De kerk zag met lede ogen aan hoe het intellect de kerk de rug toekeerde. Thomas van Aquino (1225-1274) incorporeerde Aristoteles in de kerkleer, want die leer was nog zeer platonisch met veel aandacht voor de ziel, de ‘bovenverdieping’ van het leven. Het gewone leven was door de kerk sterk verwaarloosd, en daar zag Aquino een rol voor Aristoteles. Dat heeft een tijd min of meer gewerkt, maar velen zagen wel de beperkingen en het keurslijf waarin de kerk zodoende de mensen dwong.
Robert Grosseteste / Galileï
Een van degenen die duidelijk de problemen zag was de Britse Franciscaner monnik en latere bisschop Robert Grosseteste (1175-1253). Hij betreurde de sterke nadruk op de rol van het denken, de wiskunde. Dat werd in Aristoteles en de kerk in feite als perfect en niet aangetast door de zondeval gezien. En daar zagen Grosseteste en zijn leerling/collega Roger Bacon (1214-1294) het probleem: zij vonden dat bevindingen uit de realiteit, die via denkprocessen waren geïnduceerd, weer terug met die realiteit moesten worden geconfronteerd, om afwijkingen in het (allerminst volmaakte) denken te corrigeren. In feite is dit de grondslag van de westerse wetenschap geworden.
Galileï
Nu is de wiskunde ongetwijfeld een onmisbaar gereedschap in de natuurkunde. De natuur zit ongelooflijk complex en precies in elkaar. Zonder wiskunde dringen we er niet in door. Maar de wiskunde schrijft ons niet voor wat we zien of mogen zien. Zij verklaart ons wat we zien en wijst de weg naar verdere ontdekkingen. Maar de waarneming is in de natuurkunde nog altijd de hoofdweg waarlangs we onze ontdekkingen doen. Zij kan ons bevestigen of het juist was wat we wiskundig al hadden vastgesteld. Ongetwijfeld kunnen wiskundigen hier nog veel aan toevoegen. Maar voor ons is het voorlopig voldoende.
Een van de eersten die vanuit deze principes begon te werken was Galileo Galileï (1564-1642). Hij vertrouwde zijn zintuigen, maar was daarin wel een beetje (erg) overmoedig. Tot dan toe was de kerk – met de Bijbel – de basis van de wetenschap geweest. Maar men beschouwde de Bijbel als een boek dat wetenschappelijke taal sprak. Als de Bijbel zegt: “Vast staat nu de wereld, zodat zij niet wankelt” (Ps. 96:10 NBG), dan had men daar grote moeite mee, want de wereld (de aarde) wankelde nogal eens, en soms met dramatische gevolgen. Dus bedacht men allerlei redeneringen om daar omheen te schilderen, om maar rechtop te houden dat Bijbelse taal en wetenschappelijke taal hetzelfde waren. Dat gaf aanleiding tot soms pijnlijke discussies, o.a. ook toen Galileï probeerde uit te leggen hoe Jozua’s bevel tot de zon om stil te staan (Joz. 10:12) moest worden uitgelegd. Dat verhoogde niet het vertrouwen van de kerk in Galileï’s werk. Hoewel Galileï natuurlijk geweldig baanbrekend werk heeft gedaan.
Vanwege die verwarring nam Galileï daarna een standpunt in, dat de Bijbel zich niet met de wetenschap mocht bemoeien. In zijn positie begrijpelijk, het was een vorm van zelfbescherming. Maar later is deze opvatting min of meer standaard geworden. Omdat men niet besefte dat de Bijbel weliswaar van buitengewoon belang is voor de wetenschap in vele opzichten, maar dat dit boek de gewone taal spreekt die iedereen kan verstaan, en niet de taal van een of andere wetenschappelijke epoche.
Descartes
René Descartes
De scheiding die Galileï voorstelde, is in de westerse wetenschap axioma geworden. De intellectuelen wierpen zich op de ‘wetenschap’ en een langzaam slinkend, maar nog steeds aanzienlijk aantal geleerden namen de Bijbel nog steeds als richtsnoer. Een man als Kepler (1571-1630) bijvoorbeeld, die na een hevige strijd eindelijk kon besluiten, dat de planetenbanen ellipsen waren in plaats van cirkels, hield vol omdat hij zijn gegevens, die door zijn leermeester Tycho Brahe minutieus en met grote precisie waren verzameld, meer vertrouwde dan de wiskundig volmaakte cirkels. Hij wist aanvankelijk niet hoe het wiskundig in elkaar stak, maar heeft gezocht totdat hij een vergelijking vond die op zijn waarnemingen paste.
Er ontstond dus behoefte aan een andere grondslag voor de wetenschap. René Descartes (1596-1650) voorzag daarin. Hij wees het menselijk denken aan als de nieuwe bron. Hij was niet Bijbel-vijandig, maar ook hij was van mening dat de Bijbel in wetenschappelijk opzicht geen rol kon spelen. Evenals trouwens Galileï enkele decennia eerder. Maar veel onderzoekers – hoewel vaak geen praktiserende christenen – werkten vanuit Bijbelse principes en vooral: volgens de uitgangspunten van de westerse wetenschap: waarnemen, deduceren, weer vergelijken met de realiteit, enz. Zo zat er grote voortgang in diverse wetenschappen, zoals de geneeskunde, en vooral elektriciteit en elektromagnetisme, de natuurwetenschappen.
Maar aan de kant van de intellectuelen en de filosofie schoten de ideeën van Descartes wortel.
Kant / Lyell
Een wonderlijk tweetal. Maar bij Immanuel Kant (1724-1804) kun je zien hoe de nieuwe ideeën leidden tot vervreemding. God en Bijbel waren buiten de deur gezet in de wereld van de wetenschap. In Kant’s ‘Kritik der reinen Vernunft’ maakt hij een boedelscheiding en beschrijft een wetenschap waarin uitsluitend het zuivere denken de bron mag zijn. Waarnemingen op zich zijn niets, het ‘Ding an sich’ is in feite onkenbaar. Waarnemingen moeten het verstand, de rede passeren om zin te verkrijgen. Hij was er zelf niet echt tevreden mee. Hij miste toch iets. Alleen maar zin door de rede bevredigde niet. Wat hij miste? Dat is vaak samengevat in het trio ‘God, deugd en onsterfelijkheid’. Die wilde hij niet prijsgeven, maar binnen het moderne denken pasten ze niet. Daarom schreef Kant een tweede verhandeling ‘Kritik der praktischen Vernunft’. Hierin behandelt hij moraalfilosofie en ethiek. Maar deze staan los van het eerste boek. We zijn nu aangeland op een tweedeling. De eenheid van kennis is opgegeven. De dingen waarvan ieder levend mens toch vindt dat die voor het leven waardevol zijn, belanden in een soort bovenverdieping, een filosofisch vacuüm. De Bijbel kent dat niet, daar is de wereld één. God spreekt en handelt in de geschiedenis in de door Hem geschapen wereld. Later zal Wittgenstein zeggen dat die andere wereld wel bestaat, maar dat we daarover niks kunnen zeggen, die is uiterst en strikt privé (Tractatus Logico-Philosophicus). Het westen is de weg aan het kwijtraken.
Charles Lyell
Maar we moeten het over nog iemand hebben. In de aanloop naar de evolutietheorie treedt de Britse advocaat en amateur-geoloog Charles Lyell (1797-1875) op. Wat we van hem moeten onthouden is dat hij in een brief aan een vriend schreef: “We have to get rid of the Mosaic account” = de Bijbelse begingeschiedenis en de wetten van Mozes moeten de laan uit. Want die stonden in de weg voor de voortgang van de wetenschap zoals Lyell en vele Verlichtings-mensen dat zagen. Hier is klip en klaar gezegd dat God en Bijbel niets meer te zoeken hebben in de wetenschap.
Maxwell / Einstein / Niels Bohr
In de natuurwetenschappen ontstond een probleem. Er waren allerlei soorten elektromagnetische golven ontdekt, en voor praktisch iedere soort werd een omgeving gedacht die deze zou geleiden. Men die noemde die ‘ether’. Maar je had verschillende ethers. James Clerk Maxwell (1831-1871) schiep orde in deze chaos door alles op de noemer te brengen van één ‘ether’. Men definieerde de eigenschappen die deze ‘ether’ moest bezitten, en in 1887 gingen Michelson en Morley met een nieuw instrument (interferometer) metingen doen om te zien of die veronderstelling klopte. Helaas, de uitslagen van deze tests gaven waarden die nauwelijks van nul waren te onderscheiden.
Albert Einstein (1879-1955), een protégé van Max Planck, en een betrekkelijke buitenstaander, werkte aan een mogelijke oplossing. Kennelijk was de ‘ether’ niet wat ze dachten. Beweging erdoor leek niet meetbaar, en ook leek de lichtsnelheid in alle richtingen hetzelfde onverschillig de richting waarin de aarde bewoog. Einstein bedacht een complexe ‘oplossing’: zijn speciale relativiteitstheorie (SRT). Er moest dan wel wat vertimmerd worden aan de algemeen geaccepteerde ideeën: tijd kon langzamer of sneller gaan, afmetingen konden krimpen of uitrekken, en het heelal werd iets dat alleen nog wiskundig was te beschrijven. Intuïtie liet je hier in de steek. De definitie van het heelal werd nu: vierdimensionaal gekromd tijdruimte-continuüm. Tijd was ook een dimensie geworden. Wiskunde, en wel een complexe vorm, ‘tensor wiskunde’, nam het over van het gezonde verstand en de intuïtie. Maar men accepteerde dat het niet anders kon.
Albert Einstein
Er was ook nog iets anders aan de gang. Een aantal natuurkundigen werkte aan een probleem in de thermodynamica. Max Planck kwam in 1901 met een oplossing, die hemzelf allerminst beviel. Hij kon de problemen oplossen met een wiskundige formule, maar moest aannemen dat warmteafgifte over het hele spectrum niet meer geleidelijk ging, maar in sprongetjes, kwanta genoemd. Bovendien had hij geen idee welk fysiek proces daar achter zat. Hij werkte tien jaar verder totdat hij die achtergrond begreep. Door zijn werk ontstond het begrip ‘Zero Point Energie’ (ZPE), dat later een grote rol zou gaan spelen in de ‘nieuwe’ natuurkunde SED (stochastische elektrodynamica). Planck publiceerde deze opvattingen in 1911.
Intussen was een groep natuurkundigen, onder leiding van de Nederlandse prof. Hendrik Antoon Lorentz, begonnen aan de oplossing van problemen met de structuur van de materie. Atomen en hun indeling waren ongeveer bekend, maar er bleven nog tal van vragen. Ze namen Plancks theorie uit 1901 als uitgangspunt (kwanta maar zonder de fysieke achtergrond). Een Belgische industrieel met grote belangstelling voor de natuurkunde (dr. Ernest Solvay) nodigde vanaf 1911 deze groep wetenschappers uit bij hem in Brussel, waar ze jaarlijkse bijeenkomsten hielden (de zgn. Solvay-conferenties), waarop ze hun werk van het afgelopen jaar presenteerden en bespraken. Er waren soms heftige discussies en ook diepe teleurstellingen. Zo ontstond geleidelijk aan, met bijdragen van velen, een natuurkunde die de natuurkunde van Newton begon te vervangen. De wiskunde speelde hierin de hoofdrol. En omdat het contact met de realiteit langzaam aan verdween, werd die rol steeds belangrijker. Een van de leidende figuren, de Deen Niels Bohr (1885-1962), probeerde steeds om deze nieuwe wat esoterische wetenschap het contact met de parallelle ideeën van Newton te laten behouden. Maar het werd op de duur zo complex, dat hij besloot dat, als het wiskundig klopte, de connectie met de realiteit niet meer behoefde te worden behouden. We zijn nu in 1927. Einstein geeft het op. Hij zegt: “Dit gaat me oven de pet, dit is geen natuurkunde meer, dit is slechts wiskunde over wiskunde.” Een Amerikaanse schrijver, Manjit Kumar, schreef een boek over deze Solvay-periode met als titel: Quantum. Einstein, Bohr and the great Debate about the Nature of Reality. Daar ging het om: de aard van de realiteit. Is dat een bestaande werkelijkheid of is het alleen maar wiskunde? Deze theorie ging kwantum elektrodynamica (QED) heten. Ook hier werd het begrip ZPE, of ZPF (zero point field) gebruikt, maar hier was het geen reëel veld, maar een theoretische noodzakelijkheid, een soort fantoom. Dat zou de Achilleshiel van deze theorie blijken te zijn.
Niels Bohr
Intussen had Einstein in 1916 zijn tweede theorie, de algemene relativiteitstheorie (GRT), gelanceerd. Over diezelfde gekromde tijdruimte, dus ook hoofdzakelijk wiskunde. In feite was dit een zwaartekrachtstheorie. QED wiskunde leidde geregeld tot vergelijkingen die op nul of oneindig uitkwamen. Deze gaven later aanleiding tot een begrip als ‘zwart gat’ (oneindige zwaartekracht). Men gebruikte een methode, normalisering, om die problemen weg te moffelen. De fysicus Paul Dirac, een van de architecten van QED, heeft daartegen fel geprotesteerd. Hij reisde de universiteiten van de wereld af, om op te roepen tot werken aan een nieuwe natuurkunde, die de QED-problemen niet zou hebben.
Eind 1920-er begin 1930-er jaren ontstond de theorie van de BigBang. Ik geef niet de voorgeschiedenis, maar geeft aan dat de toenemende roodverschuiving bij toenemende afstand werd geïnterpreteerd als een Doppler effect. Hier was ook niet alles pais en vree, en er ontstonden toenemende problemen, waar ik verder niet op inga. De oorzaak was in feite dat de zwaartekracht dominant was, maar die was niet in staat om het hem toebedachte werk te doen. Allerlei hulptheorieën werden bedacht maar tevergeefs. Men sukkelt er mee voort. Zo hebben we tegenwoordig 70% donkere energie, 26% donkere materie en 4% normale materie. Nergens waar te nemen of waargenomen maar theoretisch en wiskundig noodzakelijk.
Nieuwe theorieën / de Broglie / SED / plasma
Louis de Broglie
Meer op de achtergrond werkten verschillende onderzoekers aan een alternatieve natuurkunde, SED (stochastische elektrodynamica). Deze baseerden zich op Plancks tweede theorie uit 1911 en een fysiek zero point field. Dit onderzoek kreeg een ‘boost’ na de publicatie van een boek van een andere QED specialist, Louis de Broglie (New Perspectives in Physics). Deze SED-groep ging ook niet meer uit van Einsteins heelal, maar van Newtons driedimensionale ruimte. Hier geen krimpende tijd en krimpende afstanden maar begrijpelijke, intuïtieve natuurkunde. Ook geen zwaartekracht-gebonden Big Bang maar een elektromagnetisch heelal, gestructureerd langs enorme plasmastrengen. En ook hier wordt grote voortgang gemaakt.
Waar de gevestigde theorieën telkens noodverbanden en hulphypothesen moeten aanroepen, verklaren de nieuwe theorieën vrijwel alle ontdekkingen en voorspellen die vaak ook. Lijkt echt op wetenschap! En dan hebben we dus botsende zwarte gaten en dito neutronensterren, alles wiskundig verklaard, terwijl de werkelijke of vermeende meetresultaten uitgebreide bewerkingen moeten ondergaan om ergens op te lijken.
Wiskundigen Nobelprijs natuurkunde 2017
Om te tonen hoe vanzelfsprekend wiskunde de dominante rol speelt in de natuurkunde: de Nobelprijs voor de natuurkunde 2017 wordt gedeeld door drie al behoorlijk oude wiskundigen!! Zij zijn: Kip Thorne (77) en Rainer Weiss (85), en een deel van de prijs gaat naar Barry Barish (81). Zij krijgen de prijs voor de ontdekking van de ‘zwaartekrachtgolven’. Dat die ontdekking niet gedaan is door natuurkundigen maar door wiskundigen is typerend voor onze tijd. Het volgt eigenlijk logisch uit de opvatting van Niels Bohr: “Als het wiskundig klopt, behoef je je niet meer in allerlei bochten te wringen om nog een fysische achtergrond te ontdekken!”
Conclusie
De reguliere natuurkunde is de weg kwijtgeraakt. De fysicus Lee Smolin schreef al in 2007 een boek The Trouble with Physics (het probleem met de natuurkunde). Ik geeft hier zijn analyse:
• Grote problemen maar in 30 jaar (thans al 40 jaar) geen voortgang naar een oplossing:
• Drie incompatibele theorieën (relativiteit, big bang, QED)
• Relativiteit en kwantumtheorie, geen ‘common ground’
• Verschillende sets vooronderstellingen
• Problemen met oneindige waarden (zwarte gaten als wiskundig gevolg)
• Geen unificatie van deeltjes en krachten
• (Super)string theorie (nieuwste hype):
• Alleen maar complexe wiskunde
• Principieel geen enkele test met de realiteit mogelijk
• Bron van deeltjesmassa onbekend (CERN – Higgs boson, kamerbreed aangevochten)
• Te weinig materie om heelal te vormen en in stand te houden (donkere energie en donkere materie, die alleen maar problemen opleveren en nog steeds nergens waargenomen zijn).
Nu waren deze problemen ook in 2007 niet nieuw. Verschillende architecten van deze natuurkundige theorieën, als Einstein, de Broglie en Dirac, hebben principiële kritiek op de huidige natuurkunde geuit maar – zoals Max Planck al opmerkte – in diegenen die zich met al hun vermogens aan een bepaalde theorie hebben overgegeven, is deze tot in de verste uithoeken van hun bewustzijn verankerd; voor hen is het vrijwel onmogelijk om zich nog revolutionaire nieuwe, alomvattende ideeën toe te eigenen.
En die ideeën zijn er: SED en plasmatheorie zijn veelbelovend, volop in ontwikkeling, houden contact met de realiteit, bevatten geen exotische onderdelen, geen gekromde vierdimensionale tijdruimte e.d. Zij voorspellen dingen die ook gebeuren. Barry Setterfield is hierin het verst gegaan. Hij nam de volle consequenties van de nieuwe natuurkunde en kwam uit op een jong heelal, zonder kunstgrepen.
