Honderdvijfentwintig jaar theoretische natuurkunde in Amsterdam

In het najaar van 1877 deden twee nieuwe hoogleraren natuurkunde hun intrede in de universitaire wereld: Johannes Diderik van der Waals aan de gloednieuwe Universiteit van Amsterdam en Hendrik Antoon Lorentz aan de eerbiedwaardige Leidse universiteit.

De twee nieuwbenoemden waren totaal verschillende persoonlijkheden: Van der Waals, geboren in 1837 en daarmee bijna een generatie ouder dan de 24-jarige Lorentz, was een weinig toegankelijke man, die door zijn vaak strenge optreden de studenten ontzag inboezemde. Ondanks zijn grote reputatie als natuurkundige, gevestigd met zijn baanbrekende proefschrift uit 1873 en verder versterkt door zijn latere werk, trad hij in zijn carrière internationaal weinig naar buiten. Lorentz daarentegen was zachtmoedig en bescheiden van aard en altijd bereid om zijn studenten bij te staan. Na een wat teruggetrokken leven gedurende de eerste decennia van zijn hoogleraarschap ontwikkelde hij zich geleidelijk tot de onbetwiste leider van de internationale natuurkundige gemeenschap.

Toch hadden de twee nieuwe hoogleraren iets zeer belangrijks gemeen: ze waren beiden theoretisch natuurkundigen. Bij Lorentz was dat zelfs in zijn leeropdracht vastgelegd en hij was daarmee een van de eerste hoogleraren theoretische natuurkunde in Europa. Ook op een ander belangrijk punt waren de twee verwant: beiden geloofden heilig in het atomistische wereldbeeld en maakten geen geheim van hun geloof. Al in zijn proefschrift paste Lorentz het atomisme met vrucht toe en in zijn oratie zei hij onomwonden:

Wel niemand zal het tegenwoordig onbekend zijn, dat de natuurkundigen zich elk lichaam voorstellen als een stelsel van zeer kleine deeltjes, de zoogenaamde moleculen, waarvan elke, zooals vooral de scheikunde ons leert, uit een aantal nog kleinere deeltjes, de atomen, kan zijn opgebouwd.

Ook het proefschrift van Van der Waals berustte op het atomistische wereldbeeld. Uitgaande van het idee dat gassen en vloeistoffen uit atomen bestaan die krachten op elkaar uitoefenen leidde hij zijn beroemde toestandsvergelijking af, die een grote stap vooruit was in de beschrijving van het gedrag van gassen en vloeistoffen. Aan het eind van zijn proefschrift blikt Van der Waals vooruit naar de tijd waarin men meer zal weten over de vorm, het gewicht en de bewegingen van de afzonderlijke atomen. Hij eindigt met een haast poëtische ontboezeming:

Dan zal de beweging der planeten en de muziek der sferen voor een poos vergeten worden in de bewondering voor het fijn en kunstig weefsel, dat door de banen dier onzichtbare atomen wordt gevormd.

Hoewel Lorentz en Van der Waals niet alleen stonden in hun overtuiging, waren er in de negentiende eeuw ook veel skeptici en zelfs uitgesproken tegenstanders van het atomisme. En zelfs bij Van der Waals brak af en toe de twijfel door: in zijn rede bij de aanvaarding van de Nobelprijs deed hij de volgende bekentenis:

[…] aber doch kam mir öfters die innere Frage: ist doch am Ende ein Molekül nicht ein Hirngespinst und ist die ganze Molekültheorie nicht ein Hirngespinst?

Maar die momenten gingen weer voorbij. De successen die hij en Lorentz boekten door systematisch uit te gaan van het atomistische wereldbeeld – Van der Waals in de thermodynamica en de kinetische gastheorie en Lorentz in de elektrodynamica – leverden ze niet alleen een Nobelprijs op maar hebben ook in belangrijke mate bijgedragen aan de acceptatie van het atomisme.

Van der Waals (rechts) en Heike Kamerlingh Onnes in Leiden voor de helium-‘liquefactor’ (1908)

De benoeming van Van der Waals was een direct uitvloeisel van een nieuwe wet op het hoger onderwijs die in 1876 door het parlement was goedgekeurd. De wet hervormde het hoger onderwijs op enkele belangrijke punten. Zo kregen de universiteiten naast hun traditionele onderwijstaak ook de verplichting opgelegd op te leiden tot “zelfstandige beoefening der wetenschappen.” Daarmee volgde Nederland een trend die in andere landen al bestond en werd voorkomen dat Nederland op wetenschappelijk gebied nog verder achter raakte dan het al was. Sterker nog: het in werking treden van de wet luidde een bloeiperiode van de Nederlandse natuurwetenschappen in die tegenwoordig bekend staat als de ‘Tweede Gouden Eeuw.’ Om de nieuwe wet op een goede manier tot uitvoering te brengen was voorzien in een ruime uitbreiding van het aantal leerstoelen, vooral in de natuurwetenschappen, en werden ook materiële middelen vrijgemaakt voor de bouw van laboratoria. Belangrijk voor Amsterdam was dat het uit 1632 daterende Athenaeum Illustre tot een volwaardige universiteit werd omgevormd. Dat betekende onder andere de instelling van een wis- en natuurkundige faculteit, en in die faculteit werd ook Van der Waals benoemd. Een verschil met de andere universiteiten was overigens dat de Universiteit van Amsterdam een gemeentelijke instelling was. Dat betekende dat de Gemeenteraad besliste over financiële zaken en benoemingen. Het gevolg was dat het universitaire belang regelmatig botste met door de gemeentepolitiek ingegeven opvattingen en beslissingen.

Ondanks zijn voornamelijk theoretisch gerichte belangstelling moest Van der Waals zich als hoogleraar en directeur van het laboratorium ook met de experimentele natuurkunde bezighouden. Het laboratorium was aanvankelijk gevestigd in de Garnalendoelen aan het Singel maar na enig touwtrekken in de Gemeenteraad kon Van der Waals in het studiejaar 1883–84 zijn intrek nemen in een nieuw gebouw aan de Plantage Muidergracht. Het was voor die tijd modern geoutilleerd, met onder andere speciale kamers voor optische en elektromagnetische experimenten. Desondanks, zo is gebleken uit recent onderzoek, was het Amsterdamse laboratorium in de eerste decennia vooral een onderwijslaboratorium. Hiermee verschilde Amsterdam van Leiden, waar onder leiding van Heike Kamerlingh Onnes in de jaren tachtig en negentig baanbrekend experimenteel onderzoek werd gedaan op het gebied van de magneto-optica en de lage temperaturen fysica. Voor de laatste tak van onderzoek was overigens het werk van Van der Waals weer van vitaal belang. Kamerlingh Onnes karakteriseerde het later zo:

De denkbeelden van Van der Waals zijn in het laboratorium in Leiden steeds beschouwd als een tooverstaf om experimenteel nauwkeurigheidswerk te wekken.

Wat de wetenschappelijke produktie betreft draaide het in Amsterdam dus vooral om het theoretische werk van Van der Waals. Hoewel hij na de vroege dood van zijn vrouw in 1881 bijna een decennium lang niet meer tot publiceren kwam, stammen drie van zijn vier belangrijkste prestaties uit zijn Amsterdamse tijd: de wet van overeenstemmende toestanden (1880), de theorie voor binaire mengsels (1891) en de theorie voor capillaire verschijnselen (1893).

Steun voor Van der Waals’ theoretische activiteiten kwam in Amsterdam uit onverwachte hoek: van de wiskunde. Daar was sinds 1881 Diederik Johannes Korteweg hoogleraar. Korteweg was de eerste promovendus van Van der Waals en had al voor zijn promotie blijk gegeven van een levendige belangstelling voor natuurkundige problemen. Bovendien was hij van mening dat de wiskunde niet alleen om zichzelfs wille moest worden beoefend, maar ook als hulpwetenschap bijvoorbeeld bij de natuurkunde. Hoewel hij door tijdgenoten als Lorentz zowel tot de wiskundigen als tot de theoretisch natuurkundigen werd gerekend, staat Korteweg in een wat andere traditie.

Om dit te verduidelijken is een korte schets van het ontstaan van de theoretische natuurkunde als aparte specialisatie nodig. Nadat in de achttiende eeuw de Newtonse mechanica door toedoen van geleerden als Lagrange en Legendre in mathematische vorm was gebracht, werden in de loop van de negentiende eeuw langzaam maar zeker de andere takken van de natuurkunde, zoals de optica en de elektrodynamica gemathematiseerd. Er ontstond toen een type natuurkundige die enerzijds de natuurkunde bedreef met behulp van alle ter beschikking staande wiskundige hulpmiddelen, maar anderzijds diezelfde hulpmiddelen verder ontwikkelde, zonder dat daarvoor een natuurkundige noodzaak bestond en met weinig oog voor de oorspronkelijke natuurkundige problemen. In deze traditie van mathematische fysica past ook Korteweg. Door hun diepe wiskundige belangstelling onderscheiden mathematisch fysici als Korteweg zich van de theoretisch natuurkundigen, voor wie de wiskunde niet meer is dan een hulpmiddel en die zich vaak niet veel aan wiskundige strengheid gelegen laten liggen.

De samenwerking tussen Van der Waals en Korteweg was vooral gericht op thermodynamische onderwerpen. Samen ontwikkelden ze een theorie om aan de vorm van bepaalde karakteristieke oppervlakken de eigenschappen van mengsels van gassen en vloeistoffen af te lezen. In aansluiting hierop ontwikkelde Korteweg een elegante wiskundige theorie en klassificatie voor de zogenaamde plooipunten die op een dergelijk oppervlak voorkomen.

Rond de eeuwwisseling gaf de komst van Pieter Zeeman, eerst als lector en later als hoogleraar, een nieuwe impuls aan de Amsterdamse experimentele natuurkunde. Zeeman was een vaardig en origineel experimentator en het is dan ook niet verwonderlijk dat hij bij het emeritaat van Van der Waals in 1908 directeur van het laboratorium werd. Als hoogleraar had Van der Waals twee opvolgers. Een van hen was zijn zoon, Johannes Diderik van der Waals jr. Hij kreeg als leeropdracht theoretische natuurkunde, zodat met deze benoeming de theorie officieel zijn intrede deed in Amsterdam. In Groningen, waar hij in 1903 hoogleraar was geworden, had Van der Waals jr. gewerkt aan een verdere uitwerking van het onderwerp van zijn proefschrift, de statistische behandeling van stralingsproblemen. Dit onderzoek zette hij in Amsterdam voort. Later leverde hij nog belangrijke bijdragen aan de theorie van de Brownse beweging. De andere opvolger was Van der Waals’ leerling Philipp Kohnstamm, die de wat merkwaardige leeropdracht toegepaste thermodynamica kreeg.

Van der Waals jr. was net als zijn vader een weinig toegankelijke man. Tijdgenoten karakteriseerden hem soms zelfs als venijnig. Hij is, niet verwonderlijk, altijd wat in de schaduw van zijn beroemde vader blijven staan. Het is misschien wel typerend dat hij de toestandsvergelijking van zijn vader ooit zijn tweelingzusje noemde, omdat hij werd geboren in het jaar van zijn vaders promotie. Overigens sprak hij altijd over deze toestandsvergelijking als de ‘wet van Pa.’ (Het is niet zeker of een snedige student inderdaad ooit na de vraag op tentamen of hij de ‘wet van Pa’ kende, antwoordde “Nee, maar wel de wet van Ohm,” waarna hij onmiddellijk kon vertrekken, maar dat maakt de anekdote er niet minder typerend door.)

Zo leek na de nieuwe benoemingen de toekomst van de theoretische natuurkunde in Amsterdam weer voor geruime tijd gewaarborgd. Maar in de loop van de jaren kwamen er problemen. Na belangrijk werk in de thermodynamica begon Kohnstamm zijn interesse meer en meer te verleggen naar de pedagogiek. Nadat hij eerst al zijn hoogleraarschap in de natuurkunde had gecombineerd met een bijzondere leerstoel in de pedagogiek keerde hij eind jaren twintig de natuurkunde definitief de rug toe en wijdde hij zich geheel aan de pedagogiek. Ook de aandacht van Van der Waals jr. dwaalde af naar andere gebieden, zoals filosofie en literatuur. Als redacteur van het tijdschrift De Gids publiceerde hij veel over de grondslagen van de natuurkunde en andere filosofische onderwerpen en zelfs een artikel over Shakespeare. Daarbij kwam nog dat de baanbrekende nieuwe ontwikkelingen in de natuurkunde die vooral na de Eerste Wereldoorlog op gang kwamen hem maar matig konden boeien: zo stond hij skeptisch tegenover de quantumtheorie en had hij over Einsteins relativiteitstheorie ook zijn twijfels.

Weliswaar gaf Van der Waals jr. college over quantumtheorie, maar volgens een ooggetuige was dit een wat pijnlijke aangelegenheid. In een college dat hij in de jaren dertig gaf, gebruikte hij een verouderd boek waaruit hij elke week moeizaam en met weinig overtuiging een deel behandelde. Voor aandacht voor moderne ontwikkelingen moesten de studenten het hebben van jongere assistenten of, merkwaardigerwijze, van de astronoom Anton Pannekoek. De wereldberoemde Pannekoek hield zich goed op de hoogte van de recente natuurkunde en verwerkte die kennis in zijn colleges.

Terugkijkend kunnen de jaren dertig worden gekarakteriseerd als een periode waarin de ontwikkeling van de Amsterdamse theoretische natuurkunde langzaam stagneerde. Maar na de Tweede Wereldoorlog begon een nieuwe fase. Zeeman was in 1940, na veel strubbelingen, opgevolgd door C.J. Gorter, die het laboratorium met verve leidde, en als opvolger van Van der Waals jr. was in 1946 de 35-jarige Jan de Boer benoemd. Het ideaal van De Boer was een eigen plek voor de theoretici, liefst in de buurt van de experimentatoren. Van der Waals had zich tevreden moeten stellen met een kamer in het Organisch-chemisch laboratorium, en in eerste instantie werd De Boer daar ook gehuisvest. Hij wilde echter meer faciliteiten, zoals een kamer voor een bibliotheek en een ruimte voor colloquia. Daarin werd hij gesteund door zijn promotor, de experimentator A. Michels, die al in december 1936 in een brief aan Burgermeester en Wethouders had gepleit voor een eigen ruimte voor de theoretici. In die brief vestigt hij de aandacht op de situatie aan andere universiteiten in binnen- en buitenland waar de theoretici over een eigen instituut konden beschikken en merkt hij op:

Ook de Amsterdamse Universiteit zal niet lang meer kunnen wachten met de oprichting van een dusdanig instituut, wil zij niet belangrijk bij anderen achterblijven.

In december 1941, ruim een jaar voor zijn emeritaat, richt ook Van der Waals jr. zich tot de gemeente over deze kwestie. In een brief pleit hij ervoor dat zijn opvolger aanzienlijk meer ruimte zal krijgen dan de ene kamer die hij heeft: een eigen collegekamer voor vijftig toehoorders, een bibliotheek- en studieruimte, zitkamers voor de hoogleraar en zijn assistent en tenslotte enkele kleinere werkkamers voor gevorderde studenten. Hoe de gemeente reageerde is niet bekend, maar gezien de oorlogsomstandigheden is het niet verwonderlijk dat ten tijde van het aantreden van De Boer in 1946 de situatie ongewijzigd was. Maar in het najaar van dat jaar komt De Boer terug op de brief van zijn voorganger. De aanleiding is een plan van de gemeente als voorlopige oplossing de theoretici onder te brengen in een niet gebruikt deel van het toenmalige Mathematisch Instituut, dat gevestigd was in een oud schoolgebouw aan de Roetersstraat, hoek Nieuwe Achtergracht. De Boer schetst nogmaals het belang van een theoretisch instituut:

De inrichting van een dergelijk centrum zou zeer ten goede komen, niet alleen aan de theoretici zelf, maar vooral ook aan de physici die experimenteel werkzaam zijn aan de drie laboratoria bij de hoogleraren Clay, Michels en Bakker. Hier zouden de studerenden opkomende problemen met elkaar en met de theoretici grondig kunnen bestuderen, rustig kunnen studeren en het vaak noodzakelijk rekentechnisch werk kunnen verrichten.

Vervolgens herhaalt De Boer de oorspronkelijke wensen van zijn voorganger en merkt hij op dat het nu aangebodene daar lang niet aan voldoet. Desondanks is hij bereid het gemaakte plan als voorlopige oplossing te accepteren omdat de situatie in het Organisch-chemisch laboratorium nijpend is geworden.

Er gaat een jaar voorbij zonder dat er veel gebeurt. Op 17 oktober 1947 schrijft De Boer opnieuw aan de gemeente. Hij herinnert aan zijn eerdere aanvaarding van het verbouwingsplan als voorlopige oplossing en somt nogmaals de nadelen van dit plan op: de verbouwing is om bouwtechnische redenen kostbaar en bovendien is de voorziene bibliotheek annex colloquiumzaal nu al te klein om alle studenten theoretische natuurkunde te herbergen. Bovendien

behoort de theoretisch physicus, die in nauw contact werkt met zijn collega’s in de experimentele natuurkunde […] zich niet af te zonderen in een apart gebouw, dat buiten ieder van de drie laboratoria staat.

De Boer komt daarom met een ander, gewaagd plan: de bouw van een extra verdieping op de rechter zijvleugel van het oude Natuurkundig Laboratorium aan de Plantage Muidergracht. Naast dat gebouw stond sinds 1923 een ander laboratorium, het speciaal voor Zeeman gebouwde Laboratorium Physica, dat in 1941 de naam Zeeman Laboratorium had gekregen. Omdat de te bouwen verdieping zich tussen de twee laboratoria zou bevinden, kon het daar te vestigen instituut met beide gebouwen worden verbonden. Dat zou een optimaal contact tussen theorie en experiment garanderen.

Het oude schoolgebouw in de Roetersstraat waar het ITF tot 1963 in gehuisvest was

Roetersstraat 1a (1951). Van links naar rechts: R. van Wageningen, R. Bird, J. van Kranendonk, J. de Boer, E.G.D. Cohen

De autoriteiten hebben het plan kennelijk zeer grondig bestudeerd, want een antwoord bleef jarenlang uit. Maar dan neemt de gemeente geen halve maatregelen: in een eerste brief van oktober 1950 wordt het plan-de Boer van de hand gewezen, met als argument dat de experimentator Jacob Clay bezwaar had gemaakt. Hij wilde een grote magneet plaatsen in de vleugel van het laboratorium en vond dat boven die magneet niet mocht worden gebouwd. Voor alle zekerheid stuurt de gemeente vervolgens in juni 1951 nogmaals een afwijzende brief. Nu blijken het de financiën te zijn die het plan in de weg staan.

Mosterd na de maaltijd: inmiddels was het instituut al geruime tijd gevestigd aan Roetersstraat 1a, in de oorspronkelijk bedoelde ruimte in het oude schoolgebouw. Het instituut kon daar beschikken over een zitkamer voor de hoogleraar, een kamer voor diens assistent, een bibliotheekruimte waar ook een secretaresse huisde, en een colloquiumkamer die ook huisvesting bood aan kandidaten en promovendi. In vier aangrenzende kamers was het Sterrenkundig Instituut gehuisvest. Later werd op een binnenplaats nog een gebouwtje opgetrokken dat het ‘spinorium’ werd genoemd.

Het zou tot 1963 duren voordat aan de gebrekkige huisvesting een eind kwam. In dat jaar betrokken het Instituut voor Theoretische Fysica en het Natuurkundig Laboratorium een nieuw gebouw aan de Valckenierstraat waar een jaar later ook het Van der Waals Laboratorium werd ondergebracht. Eindelijk waren de experimentele en de theoretische natuurkunde onder één dak gehuisvest. Maar van een intensieve en systematische samenwerking tussen theoretici en experimentatoren is het nooit meer gekomen.

Voorbereidingen voor de bouw van de nieuwe behuizing van het ITF aan de Valckenierstraat

Over het tijdstip waarop de oorspronkelijke ruimte in de oude school in gebruik werd genomen, bestaat overigens enige onzekerheid. In een brief van 18 november 1948 constateert De Boer dat de vier kamers die voor sterrenkunde zijn bestemd in gebruik kunnen worden genomen en spreekt hij de verwachting uit dat de gehele verbouwing “in de zeer nabije toekomst” zal zijn voltooid. Een volgende brief van hem dateert van juli 1950 en signaleert een aantal tekortkomingen in de inrichting van het instituut, dat inmiddels betrokken is. Het is dus niet onmogelijk dat de feitelijke ingebruikneming pas in de loop van 1950 heeft plaatsgevonden. Een aanwijzing daarvoor is dat De Boer in een brief van 15 augustus 1950 opmerkt dat de inrichting van het instituut door de gemeente “kort geleden” is voltooid.

Hoe het ook zij, De Boer en zijn medewerkers gingen enthousiast aan de slag. De nadruk van het onderzoek kwam te liggen op de statistische fysica. Belangrijke onderwerpen die in de loop van de jaren werden aangepakt zijn: intermoleculaire krachten, de toestandsvergelijking, vloeibaar helium en transportverschijnselen. De staf breidde zich ook uit: in 1949 werd de theoreticus Siegfried Wouthuysen tot lector benoemd. Hij was aanvankelijk aan het Zeeman laboratorium verbonden maar voegde zich later bij het Instituut voor Theoretische Fysica. In 1956 werd hij hoogleraar. Wouthuysen werkte in het in die tijd sterk opkomende gebied van de elementaire deeltjes fysica. In de jaren zestig werd het aantal leerstoelen verder uitgebreid: uit Leiden kwam in 1964 Sybren de Groot naar Amsterdam en in 1967 werd Jan Hilgevoord, leerling van Wouthuysen, tot hoogleraar benoemd, nadat hij twee jaar eerder lector was geworden. De Groot ging zich bezighouden met de microscopische grondslagen van de Maxwell theorie en met de relativistische kinetische gastheorie; Hilgevoord begaf zich op het gebied van de hoge-energie fysica en later van de grondslagen van de quantummechanica.

Het instituut in 1976

Jan de Boer ten tijde van zijn emeritaat in 1981

Voor een historische evaluatie van het wetenschappelijk belang van het Instituut voor Theoretische Fysica en van de invloed die het heeft gehad in de Nederlandse en internationale theoretische natuurkunde is het nog te vroeg. Maar getallen kunnen ook spreken: in de periode tussen 1946 en het emeritaat van De Boer in 1981 leverde het instituut ongeveer veertig promovendi af. Dat is een respectabel aantal, vooral in het licht van het door De Boer gevoerde ontmoedigingsbeleid: hij was van mening dat alleen zeer goede studenten theoretische natuurkunde moesten gaan studeren en menig oud-student herinnert zich nog het vaderlijk-strenge gesprek dat na het kandidaatsexamen aan toelating tot het instituut voorafging. Was deze horde eenmaal genomen, dan werd de student meteen opgenomen in de gemeenschap: hij kreeg een bureau en werd geacht bij de dagelijkse koffie- en theepauzes aanwezig te zijn en in een later stadium van de studie ook bij het wekelijkse seminarium. De filosofie hierachter was dat men theoretische natuurkunde van elkaar leert, door intensief contact, en niet uit boeken. Voor veel studenten heeft dit ook zo gewerkt.

Tenslotte: ondanks alle universitaire bezuinigingen en bestuurlijke perikelen heeft het instituut met glans zijn vijftigjarig jubileum gehaald. Ook hier spreken de getallen: het instituut begon met één hoogleraar en één assistent, bij het emeritaat van De Boer in 1981 waren er vijf hoogleraren en achttien vaste en tijdelijke stafleden en nu, eind 1999, telt het instituut zeven gewone hoogleraren en een staf van zevenentwintig medewerkers.