Hoofdbanner

Tot ver in de 19e eeuw geloofden wetenschappers niet in het bestaan van elektronen. Men kon ze eenvoudigweg niet aantonen. Totdat Thomson in 1897 een experiment bedacht waarbij de tot dan toe geheimzinnige kathodestraling in een elektrisch veld bleek af te buigen richting de positief geladen plaat. Tezamen met een aangebracht magnetisch veld kon hij de verhouding van de massa en de lading van deze straling bepalen. Thomson concludeerde hieruit dat de straling uit deeltjes bestond met een negatieve lading. Hij noemde deze deeltjes corpuscles (lichaampjes). Later werden ze elektronen genoemd.
In diezelfde tijd ontdekte Rutherford dat sommige atoomsoorten spontaan straling uitzonden, de radioactieve straling. Hij ontdekte drie soorten straling, alfastraling met een positieve lading, bètastraling met een negatieve lading en gammastraling zonder lading. De bètastraling bleek ook uit elektronen te bestaan. 
Thomson kwam met een eerste model van het atoom. Deze bleek nog zeer onvolledig. Rutherford paste na zijn beroemde experiment met alfastraling die hij op goudfolie liet vallen het model aan door een positief geladen kern te veronderstellen, met daar ver van verwijderd een schil met elektronen. Niels Bohr verfijnde ook dit model door slechts bepaalde schillen toe te laten, geheel volgens de nieuwste inzichten dat deze banen allemaal gekwantiseerd zijn. Dit volgens effecten die Max Planck had berekend (met als belangrijk onderdeel de constante van Planck).

Ondertussen had men begrepen dat elektriciteit niets anders was dan een elektronenstroom die zich van de negatieve pool naar de positief geladen pool verplaatste. Dat men de stroomrichting nog altijd van plus naar min definieerde, komt door eerder gemaakte afspraken toen men dacht dat een positieve lading voor de stroom zorgde. Die elektronenstroom kon alleen in metalen plaats vinden, omdat daar de elektronen min of meer 'vrij' zijn, dat wil zeggen niet direct gebonden aan een positief geladen kern. Dit weer door het zogenaamde metaalrooster. Plastic, hout en andere niet-metalen geleiden om die reden geen stroom.

Deze modellen werkten uitstekend, maar nog altijd had men nooit elektronen "gezien" of anderszins zichtbaar kunnen maken. Ze werden inmiddels elementair genoemd, omdat ze niet uiteen konden vallen in nog kleinere deeltjes, bleek uit vele experimenten. Dit in tegenstelling tot de deeltjes van de kern van een atoom, de protonen en de neutronen, die uit diverse soorten quarks bleken te bestaan.  

Vanuit de quantummechanica rezen er steeds lastiger te beantwoorden vragen. Een elektron bleek niet langer beschreven te kunnen worden als een deeltje. Heisenberg had met zijn beroemde onzekerheidsrelatie aangetoond dat een deeltje zich nooit precies op één plek kon bevinden. Andere grootheden als de impuls (= hoeveelheid beweging) zijn dan volstrekt onbekend. Een elektron zou dan een golffunctie moeten zijn, aldus Schrödinger. Te beschouwen als de ladingsdichtheid van een object die uitgespreid is over een bepaald, mogelijk oneindig, volume in de ruimte. Het elektron als een soort wolk, zeg maar. Later stelde Max Born deze golffunctie voor als de waarschijnlijkheidsverdeling van de positie van het elektron in de ruimte. Daarmee werd het begrip 'deeltje' natuurlijk wel behoorlijk vaag. Want, waar bevindt het zich dan? Niet specifiek op een bepaalde plek, maar met een mogelijkheid ergens te zijn. 

Een ander probleem was: zijn alle elektronen precies gelijk van eigenschappen? Ogenschijnlijk wel. Kan zoiets in de natuur voorkomen? Normaliter niet. In de wereld zoals wij die kennen bestaat er niet zoiets als precies hetzelfde. Altijd zijn er wel verschillen aan te duiden. 
De natuurkundige John Wheeler, bekend van de introductie van de term "zwart gat" voor het eindstadium van zware sterren, onderkende dit probleem. In de jaren zestig postuleerde hij om die reden een nieuwe invalshoek. Er bestaat maar één elektron in de hele wereld! Maar, omdat dit elektron heen en weer kan reizen in de tijd, naar elk gewenst tijdstip, nemen wij er ontelbaar veel waar. Maar ook dit is slechts een gedachtenexperiment. Heel slim bedacht, maar in de praktijk van weinig nut.

Eerder al moest de wetenschap bij het begrip 'elektriciteit' erkennen weinig te begrijpen van wat er bij elektrische stroom nu precies gebeurt. Verplaatsen de elektronen zich wel, en hoe dan, en met welke snelheid? De uitvinder Nikola Tesla had ruim honderd jaren geleden al gezegd dat hij niet geloofde in het stromen van losse deeltjes. Hij noemde elektrische stroom een vloeistof, met specifieke vloeistofeigenschappen. Zijn ideeën van toen stonden echter haaks op de wetenschappelijke bevindingen van die tijd, met als gevolg dat er weinig aandacht aan zijn zienswijze werd geschonken. 

In Nederland houdt momenteel de wetenschapsfilosoof F.A. Muller zich met het probleem van het wel of niet bestaan van deeltjes bezig. Hij werkt aan een theorie die een brug moet vormen tussen enerzijds de wiskunde die de fysici gebruiken en anderzijds de werkelijkheid. Dit wordt de zogeheten structuurtheorie genoemd. 
In zijn eigen woorden: "Op school leren we dat alles is opgebouwd uit een soort legosteentjes, genaamd atomen. Elk atoom bestaat uit een kern met elektronen die er omheen cirkelen in vaste banen. Dat beeld past al niet eens meer op de quantummechanica, laat staan op de opvolger van die theorie, de quantumveldentheorie. Daar komt een wiskunde bij kijken die helemaal geen plaats biedt aan een deeltjesbegrip. Het gaat alleen maar over velden. Toch blijven natuurkundigen hardnekkig spreken over deeltjes. Omdat ze niet weten wat ze anders moeten zeggen."
(Zelfs onze Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft heeft het in zijn gelijknamige boekje over de bouwstenen van de schepping".)
Muller gaat, in tegenstelling tot nu toe waarbij de wetenschap van het kleine naar het grote werkt, van het universum als geheel uit. Dat is voor hem een eenheid. Daarbinnen bestaan dan allerlei substructuren, zoals voorwerpen als planeten, mensen, een tafel etc. Een quantumveld heeft dan soms deeltjeseigenschappen en soms niet. Het begrip 'deeltje' lijkt dan losgezongen te zijn van de werkelijkheid. In strikte zin bestaan deeltjes niet.

Zo ook het elektron met alle eigenschappen die het worden toegedicht. Ze zal blijken een verzinsel te kunnen zijn van de mens, evenals de begrippen tijd en ruimte. Zie hoe de filosoof Immanuel Kant deze laatste twee beschreef in zijn "Kritik der reinen Vernunft" uit 1781. Wij creëren ze om grip te krijgen op de complexe wereld om ons heen. Wij willen controle. Je kunt het zien als een etiket dat op een verschijnsel wordt geplakt. We benoemen het, geven het eigenschappen mee, en het bestaat. En zodra het bestaat zien wij ook overal de bevestiging ervan in de wereld. Het wordt ons nieuwe geloof. Dat wij vervolgens niet als geloof benoemen maar als wetenschap. 

Dit los te laten vraagt heel wat van onze verbeelding. De begrippen materie en deeltjes zijn zo verankerd in ons collectief bewustzijn dat er heel wat schokken en ontdekkingen nodig zijn om op een andere manier naar de wereld te kunnen kijken. Echter, in het verleden is ook het begrip 'ether' afdoende ontkracht. Niemand gelooft daar nog in. Ook heeft de relativiteitstheorie van Einstein voor een flinke omslag in denken gezorgd. De begrippen tijd en ruimte kregen ineens een hele andere betekenis. En in onze tijd zorgen bevindingen uit de quantummechanica voor weer nieuwe hoofdbrekens. De belangrijkste conclusie is dan ook steeds weer: we begrijpen eigenlijk niets van hoe de wereld in elkaar zit.