Wat het blote oog niet kan zien

NIETIGE stofdeeltjes zweven ongezien in de lucht. Maar dan valt er een baan zonlicht door het raam, en wat onzichtbaar was, kan plotseling wel worden gezien. De binnendringende lichtbundel onthult de deeltjes aan het menselijk gezichtsvermogen.

Sta eens stil bij het zichtbare licht, dat voor het blote oog wit of kleurloos lijkt. Wat gebeurt er als zonlicht onder precies de juiste hoek door waterdruppels schijnt? Het water werkt als een prisma en we zien een regenboog van prachtige kleuren!

In feite weerkaatsen voorwerpen om ons heen diverse golflengten van het licht die onze ogen als kleuren zien. Groen gras bijvoorbeeld produceert niet zelf groen licht maar absorbeert in plaats daarvan alle golflengten van het zichtbare licht behalve groen. Het gras weerkaatst de groene golflengte naar onze ogen terug, zodat het gras op ons als groen overkomt.

Geholpen door instrumenten van menselijke makelij

De afgelopen jaren zijn veel dingen die voor ons blote oog onzichtbaar zijn, zichtbaar geworden door moderne uitvindingen. We kunnen door een gewone microscoop naar een schijnbaar levenloze druppel water kijken en ontdekken dat het erin wemelt van allerlei bewegende diertjes. En een lok haar, die er zo op het oog glad en gelijkmatig uitziet, blijkt ruw en kartelig te zijn. Heel krachtige microscopen kunnen voorwerpen een miljoen maal vergroten, wat overeenkomt met het vergroten van een postzegel tot de afmetingen van een klein landje!

Nu krijgen onderzoekers met behulp van nog krachtiger microscopen op atomaire schaal profielen van oppervlakken. Dat geeft hun een kijkje in wat tot voor heel kort buiten het bereik van het menselijk gezichtsvermogen lag.

Aan de andere kant kunnen wij ’s nachts naar de hemel kijken en sterren zien. Hoeveel? Met het blote oog hoogstens een paar duizend. Maar met de uitvinding van de telescoop bijna 400 jaar geleden begon men er veel meer te zien. Toen onthulde zo’n tachtig jaar geleden een krachtige telescoop van de sterrenwacht Mount Wilson dat er sterrenstelsels buiten het onze zijn en dat het ook daarin wemelt van ontelbaar veel sterren. Thans schatten wetenschappers die zich bedienen van geavanceerde instrumenten van menselijke makelij om het heelal te doorvorsen, dat er tientallen miljarden melkwegstelsels zijn, waarvan er veel uit honderden miljarden sterren bestaan!

Het is werkelijk verbazingwekkend dat telescopen onthuld hebben dat miljarden sterren, die we zien als de Melkweg doordat ze schijnbaar zo dicht bij elkaar staan, gescheiden worden door niet te bevatten afstanden. Evenzo hebben krachtige microscopen het blote oog geholpen te zien dat voorwerpen die massief lijken, in feite samengesteld zijn uit atomen die voornamelijk uit lege ruimte bestaan.

 Het oneindig kleine

Het kleinste stipje dat onder een gewone microscoop te zien is, bestaat uit ruim tien miljard atomen! Toch werd in 1897 ontdekt dat het atoom minuscule deeltjes heeft die een baan beschrijven, elektronen genoemd. Mettertijd bleek dat de kern van het atoom, waar de elektronen omheen draaien, uit grotere deeltjes bestaat — neutronen en protonen. De 88 verschillende soorten atomen of elementen die op aarde in de natuur voorkomen, zijn in wezen even groot, maar ze variëren in gewicht omdat elk een weer hoger aantal van deze drie basisdeeltjes telt.

De elektronen — in het geval van het waterstofatoom één elektron — draaien elk miljoenste van een seconde miljarden malen door de ruimte rond de atoomkern; zo verschaffen ze het atoom zijn vorm en maken ze dat het zich gedraagt alsof het massief is. Er zouden bijna 1840 elektronen nodig zijn om de massa van een proton of neutron te evenaren. Zowel het proton als het neutron is ongeveer 100.000 maal zo klein als het hele atoom zelf!

Probeer u eens, om u er een idee van te vormen hoe leeg een atoom is, de kern van een waterstofatoom voor te stellen in verhouding tot het ronddraaiende elektron van het atoom. Indien die kern, bestaande uit één proton, de grootte had van een tennisbal, zou het ronddraaiende elektron zich op ongeveer drie kilometer afstand bevinden!

Toen een paar jaar terug werd gevierd dat honderd jaar geleden het elektron werd ontdekt, werd opgemerkt: „Weinigen hebben moeite met een viering voor iets dat niemand heeft gezien, dat geen waarneembare omvang heeft en toch een meetbaar gewicht heeft, een elektrische lading — en draait als een tol. . . . Tegenwoordig twijfelt niemand aan het idee dat dingen die wij nooit kunnen zien wel degelijk bestaan.”

Nog nietiger objecten

Deeltjesversnellers, die in staat zijn deeltjes materie met elkaar in botsing te brengen, bieden wetenschappers nu een kijkje in de kern van het atoom. Als resultaat wordt er geschreven over allerlei deeltjes met vreemd klinkende namen — positronen, fotonen, mesonen, quarks en gluonen, om er slechts enkele te noemen. Ze zijn allemaal onzichtbaar, zelfs voor de krachtigste microscopen. Maar met behulp van apparatuur als nevel- en bellenvaten en scintillatietellers worden sporen van hun bestaan waargenomen.

Onderzoekers zien nu wat eens onzichtbaar was en gaan daardoor de betekenis begrijpen van wat naar ze denken de vier fundamentele krachten zijn — gravitatie, de elektromagnetische kracht en twee subnucleaire krachten, die worden aangeduid als de „zwakke kernkracht” en de „sterke kernkracht”. Enkele wetenschappers zijn op zoek naar een zogenoemde „theorie van alles”, die, zo hopen ze, één begrijpelijke verklaring voor het heelal zal verschaffen, van het macroscopische tot het microscopische.

Welke lessen zijn er te leren uit het zien van wat onzichtbaar is voor het blote oog? En tot welke conclusies zijn velen gekomen op basis van wat ze hebben geleerd? De antwoorden leest u in de volgende artikelen.

[Illustraties op blz. 3]

Beelden van nikkelatomen (boven) en platina-atomen

[Verantwoording]

Courtesy IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center