Atoom

Ik herinner me niet de eerste keer dat ik een atoom zag, maar ik herinner me wel de eerste keer dat we ze bestudeerden op scheikunde, en ze fascineerden me. Hun complexiteit in de tekeningen die ons werden getoond, en hoe ze zich konden verbinden en stoffen konden vormen, maakten dat ik meer wilde weten: ik las veel over ze, over hun plaats in het periodiek systeem, hun deeltjes, en zelfs over hoe ze werden gebruikt om de energie in onze huizen op te wekken.

Veel later leerde ik programmeren, en ik wilde weerspiegelen wat ik in de klas en in boeken had geleerd. Ik wilde een atoom maken, het zien bewegen, elk van zijn onderdelen echt laten lijken; ze combineren en misschien iets groters bouwen in een simulator. Maar er gebeurde iets onverwachts: ik was niet langer een nieuwsgierige jongere, maar een volwassene met een andere manier van denken. Dus begon ik vanaf nul te onderzoeken. En het resultaat was verrassend: na jaren van het lezen van boeken over het onderwerp waren slechts een paar uur kritisch denken genoeg om details te onthullen die ik nog niet eerder had gezien.

Hoewel de verhalen sterk uiteenlopen, gaan bijna allemaal terug tot de oudheid en lijken ze behoorlijk op dit ene:

"Men zegt dat de eerste studies van atomen teruggaan tot de oudheid, toen de meest ijverige geesten zich afvroegen in hoeveel delen alles kon worden verdeeld. Na lange studie concludeerden ze dat dingen slechts tot een bepaalde grens konden worden verdeeld, waarna uiteindelijk stukjes overbleven die zo klein en onwaarneembaar waren dat ze deze atomen noemden."

Om het idee te begrijpen, stel je voor dat je je ontzettend verveelt en iets deelbaars grijpt —een tandenstoker, een blad, een stuk fruit— en het doormidden splitst. En nog eens. En nog eens… tot je gewoon niet meer verder kunt. En daar heb je het: je hebt een atoom! …of zo luidde het idee tenminste.

Als we de tijd konden stilzetten en bij dit verhaal konden blijven, zou ik mijn simulator zonder problemen kunnen bouwen: ik hoefde een appel alleen maar in tweeën te laten splitsen, in drieën…, er een grens aan te stellen en klaar. Maar dit was pas het begin van het verhaal.

Wat volgt is het bijproduct van een diepgaande studie van historische feiten en ontdekkingen die geleidelijk hebben gevormd wat we vandaag atomen noemen.

Aan het begin van de negentiende eeuw creëerde een Britse chemicus genaamd John Dalton, bij gebrek aan het periodiek systeem en symbolen om de chemische elementen weer te geven, zijn eigen systeem van grafische weergave. In wezen maakte hij een lijst van de bekende elementen —goud, zilver, koolstof, zuurstof...— en tekende naast elk element een cirkel met een ander ontwerp erin om ze van elkaar te kunnen onderscheiden.

Dalton beschouwde atomen als kleine, massieve, ondeelbare bolletjes, die hij gewoonlijk "uiterste deeltjes" noemde, zoiets als de grens van de materie, waar deze niet verder kon worden verdeeld. Zijn werk slaagde erin het abstracte concept van het atoom eens en voor altijd te verbinden met chemische experimenten, waarom hij historisch wordt erkend als de vader van de atoomtheorie.

Bijna een eeuw later probeerde een andere Britse wetenschapper, Joseph John Thomson, de aard van kathodestralen te verklaren, en betoogde dat deze bestonden uit kleine deeltjes die elektriciteit droegen. Om te verklaren waar die deeltjes vandaan kwamen, betoogde hij dat ze in atomen leefden, iets als de rozijnen in een pudding, en bouwde hij zelfs een atoomtheorie op basis van die rozijnenpudding.

Het is de moeite waard om op te merken dat Thomson nooit een van die deeltjes aan de wereld heeft laten zien: hij leidde ze af uit zijn experimenten, hij zag ze niet. Toch werd het idee in 1906 met de Nobelprijs bekroond en als een feit vastgelegd. Vanaf dat moment hield het atoom op een bescheiden hypothese te zijn en werd het iets wat niemand nog durfde te betwijfelen. Deze gebeurtenissen veranderden de spelregels voor de wetenschappers van die tijd volledig, waardoor het atoom en de theorieën erover een zekere springplank naar succes werden.

Jaren later verbond ook een Nieuw-Zeelandse wetenschapper genaamd Ernest Rutherford zijn onderzoek naar radioactiviteit met atomen, en betoogde hij dat ze niet statisch waren zoals Thomsons pudding, maar veel weg hadden van een miniatuur zonnestelsel. Hij voegde ook een nieuw onderdeel toe —een piepklein kern waarin bijna alle massa geconcentreerd was— en bouwde daarop een nieuwe atoomtheorie.

Het nieuwe planetaire atoommodel was zoiets als een zeer kleine, positief geladen kern, waaromheen negatief geladen deeltjes (de elektronen) draaiden, waardoor een soort baansysteem ontstond. Het derde onderdeel, het neutron, verscheen nog niet: dat zou pas in 1932 opduiken. Voor zijn onderzoek naar radioactieve stoffen ontving Rutherford in 1908 een Nobelprijs.

Bijna gelijktijdig met het succes van Rutherford voegde een jonge Deen genaamd Niels Bohr, die fouten in het planetaire atoommodel probeerde te corrigeren, hieraan baanniveaus, energieniveaus, sprongen tussen banen toe, en zelfs de emissie en absorptie van licht, dat hij als elektromagnetische golven beschouwde. Met zijn werk maakte Bohr van wat eerst een theoretische landkaart was om bepaalde verschijnselen te verklaren, iets dat volgeschreven schoolborden vereiste om te begrijpen. Als resultaat van zijn bijdrage aan de structuur van atomen won Niels Bohr in 1922 een Nobelprijs.

Wat op Bohr volgde was een bijna eindeloze lijst van briljante geesten. Zij voegden allemaal steeds wildere theorieën over atomen toe —nooit eerder gezien—, waardoor hun wiskundige apparaat tot astronomische hoogten groeide. Om eerlijk te zijn: na uren lezen over het onderwerp leek het bekijken van elk atoommodel op het bekijken van de slee van de Kerstman: iets schandalig verkondigds dat niemand ooit heeft kunnen zien.

Aangezien atoommodellen een denkbeeldige landkaart zijn, dringt zich een eerlijkere vraag op: is er ooit iets gezien dat op een atoom lijkt? Het korte antwoord is ongemakkelijk: het hangt ervan af wat we onder zien verstaan.

Om het beter uit te leggen, stel je voor dat we naar een appel kijken: licht kaatst af op het oppervlak, bereikt ons, en vormt het beeld ervan in onze ogen. Maar onder ongeveer 200 nanometer werkt die truc niet meer: gewoon licht geeft geen portret meer terug van wat bestaat; het lijkt eromheen te gaan zonder het te tekenen en gaat zijn weg, alsof het ding doorschijnend was. Alleen een heel bijzonder licht —extreem intens, zoals dat wat in de grote deeltjesversnellers wordt geproduceerd— is erin geslaagd die schaal te benaderen, en zelfs dan levert het geen foto's, maar patronen: silhouetten en schaduwen.

De wetenschap, met gebruik van alle technologie die haar ter beschikking staat, is verbazingwekkend ver gekomen: ze kan wazige silhouetten lokaliseren, ze tellen, ze een voor een ordenen, het elektrische veld meten op ongelooflijk kleine schalen. Maar elk van die prestaties is een meting vermomd als beeld, geen directe blik. Wat we vandaag "een foto van atomen" noemen, blijft een landkaart —veel beter dan die van Thomson of Bohr, maar toch een landkaart—. En het moet rustig gezegd worden, zonder dramatiek: we hebben het spoor ervan met buitengewone precisie gemeten; ze zien, in de gewone zin waarin we een appel zien, nog niet. En hetzelfde geldt voor bijna alles wat heel klein of heel ver weg is.

Een bijna vergezochte hypothese, maar een cruciale: wat zou er gebeuren als we, geconfronteerd met de onwaarschijnlijkheid ervan, besloten om het atoom in één klap te verwijderen, om elk van zijn modellen uit de klaslokalen en uit elke afzonderlijke tak van kennis te wissen?

Het eerste wat zou gebeuren, zou totale chaos zijn in klaslokalen en het onderwijs. Schoolboeken zouden herschreven moeten worden, waarbij meer dan 200 jaar geschiedenis wordt gewist. Miljoenen pagina's zouden vol staan met conceptuele "gaten", doorgestreepte woorden of verboden termen die de teksten volledig onleesbaar zouden maken. De vergelijkingen van Schrödinger, de Lewis-structuren en de diagrammen van moleculaire bindingen zouden een fundamentele premisse missen, waardoor ze veranderen in betekenisloze krabbels. Hele scripties gewijd aan nanotechnologie, kernfysica of biochemie zouden in één klap ongeldig worden.

De wetenschap zou van haar kant niet stilstaan: ze zou andere wegen zoeken —wiskundige, filosofische— om te verklaren wat het atoom vroeger verklaarde. Want de wereld zou nog steeds uit hetzelfde bestaan. We zouden alleen de landkaart hebben gewist, niet het terrein.

Hoe onwaarschijnlijk het ook mag lijken, achter al deze inspanning —en duizenden mensen die hun hele leven wijden aan het beter tekenen van het atoom— schuilt een gok: het dieper onderzoeken waaruit materie is opgebouwd, belooft een heelal vol mogelijkheden.

De transmutatie van chemische elementen zou haalbaar kunnen worden. Kernreactoren zetten al elementen zoals uranium om in plutonium en cesium. Het bombarderen van lichtere elementen met deeltjes kan ze eveneens omzetten in zwaardere elementen. Toch is elk van die transformaties uiterst kostbaar en onpraktisch, en levert bovendien minieme hoeveelheden op. Dit alles zou kunnen veranderen als we het proces beter begrepen en het op een lager niveau konden beheersen.

Om het als grap te zeggen: we zouden stenen in goud of diamanten kunnen veranderen, de banken vullen, en ze dan weer in rotsen veranderen; en zelfs verder gaan en nieuwe chemische elementen met nieuwe eigenschappen creëren: materialen die de zwaartekracht trotseren, supergeleiders bij hoge temperaturen… een verhaal zonder einde.

De tweede prijs staat al aan, en niet in een laboratorium maar in je eigen huis: een groot deel van de elektriciteit in de wereld komt voort uit een enorme inspanning die het ons allemaal mogelijk maakt ervan te genieten. Materie beter begrijpen zou manieren kunnen openen om energie op te wekken die we nog niet kennen, veel beter en efficiënter dan de huidige. Dat is nog los van de mogelijkheid van het gebruik ervan voor niet-vreedzame doeleinden, wat door de geschiedenis heen tragische gevolgen heeft gehad.

Maar niet alles zou tragedie brengen. Achter dit onderzoek schuilt de hoop technologieën zoals magnetische kernresonantiebeeldvorming te verbeteren, onmisbaar voor het diagnosticeren van ziekten; of nieuwe manieren te vinden om informatie te verwerken, die toekomstige computers naar ongekende grenzen zouden kunnen brengen. En, zonder twijfel de meest ambitieuze en denkbeeldige van allemaal, doemt een oud doel op: begrijpen wat tijd is en, misschien, haar kunnen beheersen.

Dit alles verklaart waarom velen de pen nooit neerleggen en blijven onderzoeken. Als een landkaart die zo wazig en denkbeeldig is als het atoom ons al zo ver heeft gebracht, hoe ver zouden we dan komen als we materie op haar laagste niveau konden begrijpen en beheersen?

Uiteindelijk bleef mijn simulator slechts een poging. Zoals je je zult hebben voorgesteld, was het simuleren van een atoom op een computer als het proberen te vangen van vlinders met een blinddoek voor. Toch bracht dit alles mij ertoe niet alleen interesse te krijgen in atomen en hun denkbeeldige modellen, maar ook een heel universum van kennis aan te pakken dat ons ooit fascineerde en dat, in de kern, maar weinigen van ons echt kennen.