In wat volgt gaat het om de manier waarop Faraday tot zijn notie van het veld komt en welke argumenten en experimenten hij daarvoor aandraagt. Het veld is namelijk de notie waarmee Faraday uitdrukking wilde geven aan een visie van materie weg van discrete deeltjes, in de richting van krachtlijnen die zich door de ruimte uitstrekken. Tezamen scheppen deze krachtlijnen een veld. Bergson wijst niet voor niets op de ideeën van voornamelijk Faraday die de corpusculaire aard van materie ondermijnen en haar tot abstractie maken. Dit terwijl de corpusculaire notie de toen dominante was en dat tegenwoordig nog steeds is.
In Newton’s theorie is er sprake van een universum in de vorm van een container met daarin een lege ruimte. Binnen of in deze leegte zijn er vervolgens lichamen (materie) die elkaar aantrekken en afstoten. Dezelfde structuur valt te ontdekken op microscopische schaal. De deeltjes, atomen of moleculen die tezamen de materie vormen worden bijeengehouden door krachten. Dit gebeurt ook tegen een achtergrond van een lege ruimte. Dit beeld van materie is wat Faraday noemt de ‘ordinary notion of matter’. ‘The ordinary notion is, that there is a something to be called matter which has certain forces (the forces of matter) impressed upon it; but that it exists independent of the forces, yet owes its properties to them, and that it & the forces may be conceived of apart from each other. (Levere 1971: 106) Het is deze visie van materie als los van de krachten die erop inwerken en ervan uitgaan, waar
Faraday sterke vraagtekens bij zet in zijn manuscript getiteld ‘Matter’22 Dat de krachten worden losgekoppeld van de materie maar dat de materie tegelijkertijd wat betreft eigenschappen wordt bepaald door deze krachten valt lastig te rijmen.
Het argument van Faraday loopt als volgt. (Levere 1971) Eerst vraagt hij zich af hoe wij in de eerste plaats een beeld vormen van materie. ‘Then as to the nature of matter - take a piece of wood or iron or stone, I believe it to be matter as any other person would do, and I believe it to be manifested to our senses as a particular kind of matter by its properties.’ Hij begint dus bij het meest basale idee van materie, bijvoorbeeld steen, hout of ijzer. Het zijn namelijk de eigenschappen waardoor de materie ons voorkomt als een specifiek materiaal (bijvoorbeeld hout, ijzer of steen). Hij vervolgt:’ for we have no other way of knowing matter, either generally or specifically, than by the properties which it exhibits.’ (Levere 1971: 106) Deze eigenschappen (properties) behoren de materie toe bij gratie van de krachten. De krachten en niets anders, zegt Faraday, zijn verantwoordelijk voor de eigenschappen die toebehoren aan de materie (idem). Het gewicht van een lichaam hangt af van een kracht die we aantrekkingskracht noemen; en deze kracht is ‘not something away from the matter or separate from the matter, nor the matter separate from the force.’(idem) De kracht is een essentiële eigenschap van de materie. Zonder de kracht zou materie zelfs geen materie kunnen zijn. (idem) Dit concludeert hij uit zijn gedachte-experiment over de hardheid van glas: ‘Ik druk mijn vinger tegen een stuk glas, en, omdat mijn vinger er door wordt tegengehouden, zeg ik dat het hard is, maar waar komt deze hardheid of weerstand vandaan?’ `Het antwoord: ‘door een ‘afstotingskracht’ die zich ophoudt in de deeltjes van het glas en de deeltjes in mijn vinger, wordt het verdergaan dan een bepaalde afstand tegengegaan. Deze afstand is in deze situatie bepaald, maar varieert naar gelang de omstandigheden.’ (Levere 1971: 105)23 Hier doelt Faraday op de afstand tussen de deeltjes die varieert met de
22 Het manuscript ‘Matter’ van Faraday is nooit gepubliceerd. Hier wordt verwezen naar de
tekst die Levere in zijn artikel ‘Faraday, Matter and Natural Theology – Reflections on an unpublished Manuscript. (1971)’ een plaats biedt.
23 I press my finger against a piece of glass, and, because my finger is resisted by it I say it is
hard; but how does this hardness or resistance arise? by a force of repulsion which existing in the particles of the glass & in the particles of my finger prevents their coming nearer to each other than a certain distance, fixed for the circumstances but varying if the circumstances vary.’
introductie van bijvoorbeeld druk of warmte. Het is dus niet zo dat er sprake zou zijn van een solide oppervlak, want we kunnen middels druk, hitte of kou zorgen dat de deeltjes verder van elkaar af komen te staan. Het zijn daarom de krachten van de deeltjes die de deeltjes onder gegeven omstandigheden op een gegeven afstand en een gegeven positie houden. (idem) Niet de ondoordringbaarheid van materiële deeltjes is verantwoordelijk voor de weerstand die wordt uitgeoefend door het glas, maar de krachten inherent aan de materie.
Voor Faraday is het niet zo dat deeltjes minder invloed hebben dan krachten. De deeltjes zijn abstracties. Om dit duidelijk te maken heeft hij het voorbeeld van zilversubstantie (Levere 1971). We moeten ons drie zilveratomen voorstellen a a en a. Ten eerste graviteren zij bij wijze van de kracht in hen die zich uitstrekt over afstanden die vergelijkbaar zijn met de afstand die wij innemen tot de zon en de sterren. Ook worden ze op een statische wijze van elkaar gescheiden gehouden, door krachten die wij de afstotende en de aantrekkingskrachten noemen. Verder raken ze elkaar nooit (behalve middels de krachten). Bovendien reflecteren ze licht, maar begint de reflectie voordat de lichtstraal het lichaam bereikt of aanraakt. Tenslotte komen de chemische eigenschappen tot uitdrukking ruimschoots voordat de verondersteld werkelijke deeltjes elkaar raken, zowel in elektrolyse als in de chemische werking van gassen. In beide gevallen zouden de deeltjes zeer ver uit elkaar staan. Faraday concludeert hieruit: ‘Alle eigenschappen waardoor we ons bewust worden van de aanwezigheid en de aard van de materie, zijn daarom afhankelijk van de krachten die op enige afstand van de werkelijke nucleus actief zijn; maar daarvan (nl. van de nucleus) , als een ding op zichzelf, kunnen we ons op geen enkele manier bewust zijn. (Levere 1971: 106)
2.4. Faraday’s krachtlijnen
Faraday’s belangrijkst ontdekking: de elektromagnetische inductie (zie volgende paragraaf) kon plaatsvinden door de ontdekking van elektromagnetisme door Hans Christian Oersted (1771-1851) in 1820. Voor die tijd werden elektriciteit en magnetisme beschouwd als twee gebieden die niet met elkaar interfereerden. Deze ontdekking werd opgepakt door de wiskundig georiënteerde Ampère, die middels een
model de resultaten van het experiment van Oersted probeerden te verklaren.24 Hij herhaalde het experiment in aangepaste vorm om de resultaten te onderzoeken. Op basis van zijn experiment kwam hij tot een wiskundige theorie van stroomaantrekking. Hij werkte echter vanuit de reeds bestaande conceptie van de afstotings- en aantrekkingskrachten van Newton. Volgens dit model werken krachten centraal en lineair. Dat betekent dat krachten van punt tot punt werken. Twee lichamen worden hierin gereduceerd tot punten in de ruimte. De experimenten van zowel Oersted als Ampère lieten een verschil zien met de theorie van Newton. In de experimenten is er sprake van een rotatie van twee aan elkaar parallelle stromen. Met de rotatie correspondeert een toe- of afname van krachten volgens de wet van Ampère. De rotatie impliceert echter een hoek. Stromen die gaan roteren werken dus niet exclusief in de richting van hun beweging, zoals de theorie van Newton met de lineaire of centrale werking wel impliceert. De resultaten van het experiment wijken daarom af van de voorspelling van Newton’s wetten. Toch vond Ampère een theorie uit die deze krachten verklaarde vanuit Newton’s wetten van afstotings - en aantrekkingskrachten.
De theorie had een aantal implicaties waar Faraday moeit mee had. Los van de discrepantie die de theorie zelf had met de noties van Newton waarin het gefundeerd was, was er meer aan de hand. Ampère veronderstelde een soort vloeistoffen – een elektrische en een magnetische - die elkaar zouden beïnvloeden. Dit betekende tegelijkertijd dat hij de krachten van elektriciteit en magnetisme concreet wilde maken, hij wilde ze een gewicht geven. Om de krachten namelijk centraal te kunnen laten werken, moest hij deeltjes veronderstellen in die vloeistoffen die op elkaar inwerkten. Hierdoor zouden elektrische en magnetische krachten zich kunnen verplaatsen.
Faraday vond de veronderstelling van vloeistoffen niet in het minst aantrekkelijk. Bovendien was Ampères theorie niet van toepassing op open stromen maar alleen op gesloten stromen, dat wil zeggen op systemen van draden en/of magneten waarin de stroom niet interfereert met de omgeving. Vanuit de onvrede die hij heeft met de theorie van Ampère en Oersteds beschrijving van zijn ontdekking, ging hij zelf op onderzoek uit en herhaalde de experimenten. Hij vond dat de beschrijving van Oersted niet accuraat was. De aantrekkingskrachten en
24
afstotingskrachten die zouden verklaren waarom een magnetische naald de neiging heeft omheen een draad te roteren, bleken niet een uitdrukking te zijn van een gecompliceerde werking van de attractieve en repulsieve krachten maar van roterende krachten. Zo kwam Faraday tot zijn ontdekking van elektromagnetische rotaties.
Juist deze roterende krachten zijn moeilijk te verklaren vanuit een theorie die krachten als centraal- en op afstand werkend beschouwd, zoals in de theorie van Ampère. Deze leunde sterk op Newton’s ideeën. In het relevante experiment is er een stroomdraad met daaromheen een magnetisch veld zodanig dat de invloed (i.e. de wisselwerking tussen veld en draad) loodrecht op de richting van de stroom straat. Vanuit het idee dat krachten op afstand zouden werken zou dit zeer lastig te verklaren zijn omdat de krachten zich in dat geval alleen zouden uitstrekken in de richting van de stroom. Deze zijwaartse invloed wees op de aanwezigheid van roterende krachten die Faraday voorstelde in de vorm van krachtlijnen. 25 Deze lijnen waren het middel waarmee deze invloed gerepresenteerd kon worden. Zijn vondst van de elektromagnetische rotaties was voor Faraday daarom het signaal dat zijn idee van krachtlijnen niet slechts een hulpstuk was.
2.5. Elektromagnetische inductie
Het belangrijkste gegeven in de ontdekking van deze rotaties was de onmogelijkheid van invloed of actie op afstand tussen twee lichamen. Dit impliceerde de werkelijkheid van de krachten, die hij toen beschouwde als krachtlijnen. Vanuit dit idee experimenteert Faraday verder en doet hij in 1831 zijn belangrijkste ontdekking: de elektromagnetische inductie. Centraal hierin staat de vraag hoe de krachtlijnen hun krachten communiceren. De krachtlijnen blijken te kunnen bewegen. Deze beweging verklaarde in de ogen van Faraday de elektromagnetische inductie.
Wat is elektromagnetische inductie? Het gaat hier over de inductie - het induceren of tevoorschijn treden - van een elektrische stroom in een draad doorheen een magnetisch veld. Wanneer zich een magneet of stroom in het veld omheen de draad bevindt, zal er een stroom gaan vloeien door de draad. Hoe kan dit? Dit komt, zo vond Faraday door de verandering van de elektrische staat van de draad. Deze verandering
25
Faraday noemt dit krachtlijnen vanwege de tendens van magnetische staafjes om zich in lijnen arrangeren zodra een magneet in de buurt komt.
wordt teweeg gebracht door de beweging van de magnetische krachtlijnen in het veld. Deze beweging van de krachtlijnen wordt op zijn beurt weer veroorzaakt door de introductie van een geleider (bijvoorbeeld een magneet of andere draad) in de beurt van de draad. Deze geleider heeft een stroom door zich vloeien. Het feit dat de geleider, bijvoorbeeld een magneet, in het veld komt of dat er een verandering in de intensiteit van de stroom doorheen de geleider plaatsvindt, zorgt voor een verandering van het magnetisch veld omheen de geleider en de draad.
Het veld omheen de draad is een uitdrukking van de staat waarin de draad verkeert. Een verandering van de staat drukt zich uit als een golf van de krachtlijnen in het omliggende veld. Hierin communiceren de aangrenzende krachtlijnen de golf door het veld. Wanneer de golf aankomt bij de draad, zal deze hier weer een verandering van de staat van de draad introduceren, daar het veld van krachten omheen de draad getransformeerd is. Het gevolg is de inductie van een stroom door de draad.26
Wat was er zo belangrijk aan de vondst van elektromagnetische inductie? Faraday kwam tot het inzicht dat zijn vondst op twee belangrijke punten een breuk impliceerde met de theorie van Newton. Ten eerste werd de hypothese dat krachten niet centraal werken bevestigd met als directe consequentie de werkelijkheid van het veld. Dit centraal werken van krachten impliceert een actie-op-afstand-theorie (Berkson 1974) Hierin wordt de locatie van waaruit en waarop krachten werken in het centrum van de relevante objecten/lichamen gelegd. Dit betekent dat krachten op afstand werken. Zo oefenen de aarde en de zon volgens Newton’s theorie direct hun krachten op elkaar uit (en worden daarin tot punten gereduceerd) zonder dat er sprake is van een communicatie van de krachten door de tussenliggende ruimte of het tussenliggende veld. Ten tweede was het zo dat de configuratie van krachten in ieder materieel lichaam in het veld veranderd wordt zodra er sprake is van een verandering binnen het veld. Het leidde Faraday ertoe de bevestiging van de interactie van elektriciteit en magnetisme ook te betrekken op alle andere materie. Alle materie
26
Later, na het doen van meer experimenten, herformuleert hij zijn theorie van elektromagnetische inductie door niet de verandering van de elektrische draad
verantwoordelijk te houden voor de inductie maar het kruisen van de magnetische krachtlijnen.
dacht hij moet worden beschouwd als een veld en om die reden als kracht.(Levere 1968, Berkson 1974, Heimann 1982)
2.6. Faraday’s ‘Speculation’
Heimann argumenteert dat Faraday ten tijde van zijn ontdekking van elektromagnetische inductie nog dacht vanuit een corpusculair of atomistisch begrip van materie. (Heimann 1982) Echter, in zijn artikel ‘A Speculation touching electric Conduction and the Nature of Matter’ uit 1851 beschouwde hij materie zeker niet meer als corpusculair.27 Dit doet hij middels een reductio ad absurdum. Wanneer we materie beschouwen volgens de traditionele visie krijgen we een beeld van deeltjes in een lege ruimte. Dit beeld waarin er aanzienlijke ruimtes tussen de deeltjes bestaan zal hij ondervragen. Stel nu, zegt hij dat we een metaal beschouwen dat niet geleid. Dan moeten we ook concluderen dat de ruimte – tussen de deeltjes - niet geleidend is. Maar als we omgekeerd in een metaal dat wel geleid – waar evenzeer sprake is van ruimte tussen de deeltjes - veronderstellen dat de ruimte hier wel geleid, komen we tot de conclusie dat de ruimte geleidend is in geleidende lichamen en niet-geleidend in niet-geleidende lichamen. Dit wijst volgens Faraday op een tegenspraak van de atomistische visie van materie. Immers, als ruimte insulair (niet-geleidend) zou werken, zou het niet aanwezig kunnen zijn in geleidende lichamen. Op dezelfde wijze zou de ruimte, als zij geleidend zou zijn, niet in niet-geleidende lichamen aanwezig kunnen zijn.
Als er iets duidelijk is, dan is dat de aanwezigheid van ruimte in de materie. Hoe beargumenteert hij de aanwezigheid van ruimte tussen de deeltjes, of liever in de materie? Van metalen nemen we aan dat ze dicht zijn en dat de atomen moleculen of deeltjes elkaar raken en tegen elkaar aangedrukt worden. Maar als we de chemische samenstelling van het metaal kalium (i.e. ‘potassium’) bekijken in termen van het verondersteld aantal aanwezige atomen, zien we dat de dichtheid van de materie allerminst wijst op de afwezigheid van ruimte tussen de deeltjes. Wanneer het kalium
27
Al geeft hij hier zowel impliciet (bijvoorbeeld in het voorbeeld van potassium dat volgt) als expliciet toe dat de notie van het atoom sterke aantrekkingskracht uitoefent. ‘I feel myself constrained, for the present, hypothetically, to admit them, and cannot do without them, but I feel great difficulty in the conception of atoms of matter, which in solids, fluids, and vapors, are supposed to be more or less, apart from each other. (Zie pagina 396 in T.H. Levere Faraday, Matter and Natural Theology).
geoxideerd wordt, voegt zich aan het enkele kaliumatoom een zuurstof atoom toe. Dit noemt hij ‘potassa’. (Faraday 1850) Een ‘potassa-atoom’ verbindt zich met een wateratoom, bestaande uit twee zuurstofatomen en een waterstofatoom, om zo een kaliumhydraat-atoom te verkrijgen. Deze bestaat aldus uit vier elementaire atomen, te weten een kalium- , een waterstof atoom en twee zuurstofatomen. Dan vergelijkt Faraday de twee atomen wat betreft hun relatieve dichtheid (specific gravity) en atoommassa
(atomic weight) De relatieve dichtheid (specific gravity) geeft de dichtheid weer afgezet tegen water. De atoommassa geeft de massa van het atoom weer. In kalium is de relatieve dichtheid 0.865 en de atoommassa 40. Bij kaliumhydraat respectievelijk bijna 2 en 57. Hieruit zou de vreemde conclusie volgen dat een stuk kalium minder kalium bevat dan een stuk kaliumhydraat.’ (idem) In een ‘bulk’ van kalium, bevinden zich slechts 45 kalium atomen, terwijl dezelfde bulk van gehydrateerd kalium bijna 70 kaliumatomen en daarnaast 210 extra waterstof en zuurstofatomen bevat. In een kubieke inch kaliumhydraat, gaat Faraday verder, zitten 2800 elementaire atomen. Wanneer de 2100 waterstof- en zuurstofatomen worden weggehaald, zullen de overgebleven 700 kaliumatomen opzwellen tot zij anderhalve kubieke inch innemen. Als vervolgens dit aantal wordt gereduceerd om in een kubieke inch te passen, blijven ongeveer 430 kaliumatomen over (idem: 394-950) 28
Faraday concludeert hieruit dat wanneer we de atomistische of corpusculaire notie van materie aanhouden er tussen de kaliumatomen zeer veel ruimte zal zitten; veel meer dan er materie in het lichaam aanwezig zou zijn. Voor Faraday was daarom de opvatting van atomen als centra van krachten een stuk aantrekkelijker. In de gebruikelijke opvatting noemen we het partikel –zonder de krachten- a; het systeem van krachten daaromheen noemen we m. Bij Boscovich verdwijnt de a of blijft het slechts een wiskundig punt, terwijl het in de gangbare opvatting een klein ondoordringbaar deeltjes is.(idem: 395) Dit brengt hem ertoe de vraag te stellen hoe het anders kan zijn dan dat de geleidende kwaliteit van kalium als metaal, een gevolg zijn van de m, en zo ook de andere eigenschappen verbonden met licht, magnetisme, dichtheid en hardheid. De a, zonder krachten wordt namelijk begrepen als iets zonder invloed. Daarom moet het wel zo zijn dat de m de materie zelf is (van in dit geval kalium). Het is voor Faraday namelijk niet voor te stellen dat er een verschil in
28
Faraday, M. A Speculation Touching Electric Conduction and the Nature of Matter. p394- 95.
kwaliteit zou bestaan tussen enerzijds het partikel en anderzijds de krachten eromheen.
Tot slot een passage uit Faraday’s Speculation die welbeschouwd een conclusie vormt van zijn argument met betrekking tot de complicaties van het atoom en het bijbehorende pleidooi voor de conceptie van materie in termen van krachten. Hier is het opvallend hoezeer de passage van Bergson aan het begin van dit hoofdstuk29 overeenkomt met dat wat Faraday hier stelt.
‘To my mind, therefore, the a, or nucleus vanishes, and the substance consists of the powers, or m; and indeed, what notion can we form of the nucleus independent of the acknowledged forces? A mind just entering on the subject, may consider it difficult to think of the powers of matter independent of a separate something to be called the