Onder natuurwet in de ruimste zin des woords verstaat men:
1. Een stelling betreffende een algemeen geldend verband tussen grootheden die voor een physisch stelsel van bepaalde aard kenmerkend en voor meting toegankelijk zijn. Als voorbeelden zijn te noemen de slingerwet: t = 2 n √1/ g en de wet van Boyle-Gay- Lussac: pV = RT;
2. Een stelling waaruit stellingen, als onder 1. bedoeld, kunnen worden afgeleid. Voorbeelden: de wetten der mechanica, de wetten der thermodynamica.
Natuurwetten in engere zin zijn de onder 2. bedoelde en wel meer in het bijzonder de meest fundamentele, waaruit we alle overige natuurwetten kunnen afleiden. Wanneer we in het volgende over natuurwetten spreken, dan hebben we meer in het bijzonder deze meest fundamentele wetten op het oog.
De taak der theoretische natuurkunde is, het opstellen van de meest fundamentele natuurwetten; die der mathematische natuurkunde, het afleiden, uit de meest fundamentele natuurwetten, van wetten als onder 1. bedoeld; die der experimentele natuurkunde, het verzamelen van feitelijke gegevens, waaraan enerzijds de reeds opgestelde wetten kunnen worden getoetst en die anderzijds aanleiding kunnen geven tot het opstellen van nieuwe natuurwetten. De tegenwoordig aanvaarde natuurwetten kunnen in een viertal groepen worden ondergebracht.
1. De wetten der mechanica, die in hun klassieke vorm door Newton zijn opgesteld en die de invloed vastleggen van de gravitatie en van andere krachten op de beweging van stoffelijke stelsels. In deze vorm zijn de bedoelde wetten met zeer grote nauwkeurigheid getoetst door de waarneming van de bewegingen der hemellichamen. De relativiteitstheorie van Einstein en de quantumtheorie van Bohr hebben echter aanleiding gegeven tot het aanbrengen van correcties.
2. De wet der gravitatie, eveneens door Newton opgesteld, legt de invloed vast van de verdeling van de stof op het zwaarteveld. Einstein gaf in zijn algemene relativiteitstheorie een nieuwe formulering van de gravitatiewet, waarbij de afstandswerking, die ook Newton niet bevredigd had, door een veldwerking werd vervangen.
3. De wetten van het electromagnetisme, die de invloed van de verdeling van lading en stroom op het electromagnetisch krachtveld vastleggen. Zulke wetten zijn opgesteld door Coulomb en Biot-Savart, die, op het voetspoor van Newton, van een afstandswerking uitgingen. Faraday en Maxwell vervingen deze afstandswerking door een veldwerking.
4. De wetten van het behoud van impuls, energie en electrische lading. Deze wetten kunnen wel is waar uit de wetten van de mechanica, de gravitatie en het electromagnetisme worden afgeleid, maar er is toch aanleiding, ze aan te merken als fundamentele natuurwetten; men hecht nl. aan deze wetten zulk een betekenis, dat men bij een herziening van de overige natuurwetten de eis pleegt te stellen, dat uit de nieuwe wetten de behoudswetten toch weer af te leiden zijn. De wet van het behoud der stoffelijke massa heeft men in de laatste jaren moeten prijs geven; men beschouwt nl. tegenwoordig stoffelijke massa als een vorm van energie, die onder bepaalde omstandigheden in andere energievormen, bijv. in electromagnetische energie, kan overgaan.
De thans aangenomen natuurwetten hebben een lange ontwikkelingsgeschiedenis achter zich. Het is niet juist dat, zoals vaak gezegd wordt, de Grieken geen natuurwetten in de moderne zin zouden hebben gekend. Aristoteles geeft in het vierde boek van zijn Physica een reeks (later onjuist gebleken) kwantitatieve wetten over de beweging van een lichaam in media van verschillende dichtheid; de Griekse statica en hydrostatica (Archimedes) gaan uit van een aantal fundamentele wetten van kwantitatieve aard; ook de Griekse theorieën der planetenbeweging beroepen zich op kwantitatieve natuurwetten; bij Ptolemaeus vindt men de beschrijving van een experimenteel onderzoek over de breking van lichtstralen en Heron kent reeds het beginsel van de kortste lichtweg.
De Grieken beschikten echter niet over geschikte hulpmiddelen voor het opstellen van wetten voor beweging en verandering. Het ontbreken van zulk een begripsapparatuur bracht Parmenides en Plato zelfs tot de opvatting, dat beweging en verandering voor een rationele behandeling ontoegankelijk zouden zijn. Aristoteles gaf in zijn modaliteitslogica en in de daarop steunende leer van vorm en stof een apparatuur, die alleen vat heeft op de kwalitatieve aspecten van de verandering; vandaar het overwegend kwalitatief karakter van de peripatetische natuurbeschouwing.
Nader historisch onderzoek heeft intussen aan het licht gebracht, dat zowel de Griekse als de middeleeuwse denkers onvermoeid hebben gezocht naar een meer adequate begripsapparatuur. Hun pogingen bleven niet geheel zonder resultaat; zo gelukte aan Oresme de behandeling van de eenparig veranderlijke intensiteitsverandering. De schepping van de infinitesimaalrekening door Newton en Leibniz verschafte de natuurwetenschap het apparaat dat zij eeuwen had ontbeerd. De beginselen der speculatieve natuurleer (z natuurfilosofie) vinden ook in de moderne natuurwetten nog een zekere afspiegeling. Zo weerspiegelt zich in de mechanische natuurverklaring van de 17de, de 18de en een deel van de 19de eeuw de gedachte van een onwrikbare natuurcausaliteit, die we aantroffen in het materialisme van Leucippus en Democritus. De behoudswetten herinneren aan de wet der compensatie in de sociomorphe natuurleer, terwijl de teleologie een naklank vindt in de variatiebeginselen, waarvan het beginsel van de kortste lichtweg het oudste voorbeeld levert.
Eén groep natuurwetten is nog niet besproken, nl. de hoofdwetten van de thermodynamica. De eerste hoofdwet is de wet van het behoud der energie. Deze wet wordt in de thermodynamica op een bijzondere wijze opgevat; men beschouwt daar namelijk, op het voetspoor van R. Mayer en Joule, warmte als een bijzondere vorm van energie, d.w.z.: een hoeveelheid warmte kan verdwijnen terwijl een evenredige hoeveelheid mechanische (of andere) energie te voorschijn komt en omgekeerd.
De tweede hoofdwet geeft uitdrukking aan de beperkingen, waaraan de overdracht van warmte en haar omzetting in andere vormen van energie onderhevig is. Overdracht van warmte geschiedt alleen, indien daardoor temperatuursverschillen worden vereffend, m.a.w.: door overdracht van warmte alleen kan nooit een temperatuursverschil optreden; een temperatuursverschil kan alleen optreden bij omzetting van andere energievormen in warmte; omzetting van warmte in andere energievormen treedt alleen op, indien daarbij tegelijk een temperatuursverschil wordt vereffend.
Er bestaat klaarblijkelijk een diepgaand verschil tussen de verschijnselen, welker verloop uitsluitend door de onder 1-4 genoemde natuurwetten wordt bepaald, en de warmteverschijnselen. Eerstbedoelde verschijnselen kunnen steeds in twee richtingen verlopen, de warmteverschijnselen zijn, afgezien van grensgevallen die practisch niet te realiseren zijn, niet omkeerbaar.
Toch heeft reeds D. Bernoulli getracht, de warmteverschijnselen te verklaren met behulp van de wetten der mechanica; onmiddellijk na de opstelling van de beide hoofdwetten der thermodynamica (dus ca 1850) heeft R. Clausius deze pogingen weer opgenomen, gevolgd door Maxwell, Van der Waals, Boltzmann, Gibbs e.a.
Bij deze pogingen, de wetten der thermodynamica af te leiden uit de onder 1-4 genoemde natuurwetten, gaat men uit van de onderstelling van een atomistische structuur van de stof. Warmte is volgens de zgn. mechanische warmtetheorie de energie, die beantwoordt aan de ongeregelde bewegingen, die de moleculen in een gas, een vloeistof, een vast lichaam uitvoeren; hoe heftiger deze beweging, hoe hoger de temperatuur.
Men ziet gemakkelijk in, dat de mechanische warmtetheorie een kwalitatief juiste verklaring levert van een aantal opvallende verschijnselen; de toeneming van de gasdruk bij verkleining van het volumen en bij verhoging van de temperatuur, de verschijnselen die zich voordoen bij het smelten en verdampen van een stof, zijn gemakkelijk te begrijpen; op het bewijs, dat de gegeven verklaring der warmteverschijnselen ook kwantitatief juist is, kunnen we hier natuurlijk niet ingaan. Wel moet hier vermeld worden een tweetal der tegen de mechanische warmtetheorie aangevoerde principiële bezwaren.
a. De energetisten (Mach, Ostwald, Duhem) zijn van mening, dat de mechanische warmteleer termen gebruikt, die aanleiding kunnen geven tot het formuleren van problemen, die voor een experimentele beantwoording niet vatbaar zijn, zoals de vraag naar de massa van een enkel waterstofatoom of de vraag naar het aantal moleculen in een mms water. Dit bezwaar houdt thans geen steek meer, omdat men tegenwoordig wel degelijk beschikt over experimentele methoden voor de beantwoording van dergelijke vragen.
b. Een tweede bezwaar is door E. Zermelo ontleend aan de omstandigheid, dat de warmteverschijnselen niet omkeerbaar zijn, terwijl de door de onder 1-4 bedoelde natuurwetten zich nimmer verzetten tegen de omkering van een met deze natuurwetten verenigbaar verschijnsel.
Dit bezwaar kan worden beantwoord door een beroep op het statisch karakter van de wetten der thermodynamica; het behoeft nauwelijks betoog, dat het hierbij vooral aankomt op de tweede hoofdwet.
We beschouwen een zeer eenvoudig voorbeeld van een niet-omkeerbaar proces. Twee glazen ballons zijn verbonden door een buis, waarin zich een ventiel bevindt; het ventiel is gesloten; ballon A bevat waterstofgas, ballon B bevat stikstofgas; druk en temperatuur zijn in beide ballons gelijk aan die van de omgevende dampkringslucht. Nu openen we het ventiel, zodat tussen de beide ballons een verbinding tot stand komt. Het is duidelijk, wat er zal gebeuren: de waterstof uit ballon A zal ten dele naar ballon B, de stikstof uit ballon B zal ten dele naar ballon A diffunderen; dit diffusieproces duurt voort, zolang de gassen niet gelijkmatig over de beide ballons zijn verdeeld; is de verdeling eenmaal gelijkmatig geworden, dan gebeurt er verder niets meer.
In dit concrete geval kunnen we Zermelo’s tegenwerping als volgt formuleren. Onderstel dat op zeker moment, nadat het diffusieproces tot stilstand is gekomen, van elk gasmolecule en van elk molecule in de wanden der ballons (we kunnen aannemen, dat rondom zich een volkomen vacuüm bevindt) de snelheid precies wordt omgekeerd, dan zal het zoëven beschreven proces zich in omgekeerde zin voltrekken: de gassen zullen zich ontmengen, totdat de ene ballon weer zuivere waterstof, de andere weer zuivere stikstof bevat. Volgens de onder 1-4 genoemde natuurwetten is dus de ontmenging evenzeer mogelijk als de menging; de tweede hoofdwet der thermodynamica sluit evenwel de ontmenging uit, in overeenstemming met de waarneming. Derhalve is de tweede hoofdwet in strijd met de onder 1-4 genoemde natuurwetten, en ze is dus uit deze wetten zeker niet af te leiden.
Onderstel echter dat we twee spellen kaarten bezitten, het ene met blauwe, het andere met rode achterkant. We leggen de beide spellen op elkaar en gaan het gehele pak kaarten schudden; van tijd tot tijd kijken we, hoe de kaarten zijn verdeeld. Het is wel duidelijk wat er zal gebeuren: de beide spellen worden langzamerhand vermengd en ten slotte zullen de rode en de blauwe kaarten ongeveer gelijkmatig verdeeld liggen; bij verder schudden zal de verdeling niet belangrijk meer veranderen. Dit proces is blijkbaar analoog met de menging der beide gassen.
Men stelle zich nu echter voor, dat we met het schudden steeds maar doorgaan en dat we van tijd tot tijd de verdeling blijven controleren; we zullen dan, als we genoeg geduld hebben, af en toe een minder gelijkmatige verdeling kunnen constateren, die in den regel onmiddellijk weer vereffend wordt. Met zeer grote tussenpozen zullen we echter opmerken, dat de verdeling bij een reeks van controles telkens minder gelijkmatig wordt, en dat na verloop van tijd de spellen geheel ontmengd zijn.
Volgens de mechanische warmtetheorie hebben we ons voor de verdeling van de gassen over de beide ballons een soortgelijk verloop voor te stellen. De aanvankelijke verdeling gaat in het begin in een gelijkmatige verdeling over; met lange tussenpozen treedt een iets minder gelijkmatige verdeling, een ontmenging dus, van de beide gassen op. Zelfs moet, met buitengewoon lange tussenpozen, af en toe een volledige ontmenging optreden. De laatstbedoelde tussenpozen zijn echter zo buitengewoon lang, dat de constatering van bedoelde ontmenging practisch uitgesloten is.
Volgens de mechanische warmtetheorie is dus de tweede hoofdwet der thermodynamica een statistische wet; de processen die zij uitsluit zijn niet in strikte zin onmogelijk, maar wel in zulk een mate onwaarschijnlijk, dat we er op mogen rekenen, zulke processen nooit te zullen constateren.
Door de ontwikkeling van de quantumtheorie is de atomistische of corpusculaire theorie van de stof in een nieuwe phase getreden; hierbij is een natuurwet aan het licht gekomen, waarover nog een enkel woord moge worden gezegd. Men kan nl. slechts een deel der verschijnselen met behulp van een corpusculaire theorie van de stof verklaren; voor de verklaring van sommige verschijnselen moet men een beroep doen op een golftheorie van de stof.
Daar de corpusculaire en de golftheorie van de stof onverenigbaar zijn, lijkt het, alsof de natuurkunde hier op een innerlijke tegenspraak stuit; dit laatste zou echter alleen dan het geval zijn, als het nodig mocht blijken, tegelijkertijd op de beide theorieën een beroep te doen.
We kunnen dus zeker zijn, dat de natuurkunde zulk een tegenspraak niet te duchten heeft, indien we een waarborg hebben tegen het optreden van verschijnselen, welker verklaring alleen door gelijktijdige toepassing van de beide theorieën mogelijk is; zulk een waarborg zouden we kunnen ontlenen aan een natuurwet, die het optreden van dergelijke verschijnselen uitsluit. Een natuurwet van deze strekking hebben we inderdaad in het complementariteitsbeginsel van Bohr.
PROF. DR E. W. BETH
Lit.: z onder natuurfilosofie.
