De eerste molecuultheorie – atomen en moleculen in historisch perspectief

Er is een tijd geweest dat het molecuulbegrip nog niet bestond en dat de atoomtheorie alleen in algemene zin werd gebruikt. De atoomtheorie zelf stamt uit het Griekenland van de 5de eeuw v.Chr.; de molecuultheorie blijkt een Nederlands product uit de 17de eeuw n.Chr., de eeuw van de Wetenschappelijke Revolutie. De moderne natuurwetenschappelijke theorie gaat hierop terug.

door

De theorie van de materie is door de eeuwen heen van groot belang geweest. Het gaat om wat wij tegenwoordig natuurkunde en scheikunde noemen, al zijn ook biologie en geneeskunde in het geding. De meest fundamentele vragen waren (en zijn!) ermee verbonden: het onderscheid tussen leven en dood, het bestaan van een vrije wil, het bestaan van God. Ook de filosofie en de theologie zijn er kennelijk bij betrokken. De tegenwoordige theorie gaat in eerste benadering niet verder dan atomen en moleculen en laat de filosofische vragen meestal buiten beschouwing.

i>Atomen volgens Leucippus en Democritus

De _atoom_theorie gaat terug op de Klassieke Oudheid, de tijd waarin door Griekse denkers de eerste min of meer samenhangende theorieën over de werking van de natuurprocessen werden bedacht. Enkele natuurfilosofen stelden toen vast dat processen als de opeenvolging van de seizoenen en de spijsvertering tegelijk op verandering en onveranderlijkheid wezen. Stoffen veranderden, zoveel was zeker, al was het steeds op dezelfde manier, in dezelfde volgorde, naar alle schijn eeuwig.

Leucippus en zijn leerling Democritus schreven dit in de 5de eeuw v.Chr. toe aan het bestaan van onveranderlijke bouwsteentjes die samenkwamen tot grotere gehelen dan wel uiteengingen onder vorming van kleinere gehelen. Om werkelijk voor eeuwig onveranderlijk te zijn kregen zij allerlei eigenschappen toegedicht die dit garan-deerden: zij zijn dus absoluut hard, kennen geen slijtage, zijn onbreekbaar of, zo men wil, ondeelbaar, enz.

Op ons niveau zien wij nooit dingen met dergelijke eigenschappen: die bouwsteentjes bij ons in de buurt zijn kennelijk zeer klein, zó klein zelfs dat ze niet apart gezien kunnen worden. Het zou niettemin kunnen dat elders in het oneindig grote heelal bouwsteentjes voorkomen die wél groot genoeg zijn om door ons opgemerkt te worden, als we tenminste maar dicht genoeg in de buurt konden komen. Over de mogelijke vormen was niets verstandigs te zeggen: alles was mogelijk.

Dat het heelal overigens oneindig groot moest zijn, was zeer aannemelijk, aangezien niets op het tegendeel wees. Uitspraken over de aantallen bouwsteentjes moesten daarmee rekening houden. Vandaar dat Leucippus en Democritus stelden dat het aantal verschillende vormen oneindig groot moest zijn, terwijl er van elke vorm oneindig veel exemplaren moesten voorkomen. Bedoelde bouwsteentjes kwamen bekend te staan als adiaireta oftewel atomen.

Het neo-atomisme; Epicurus en Lucretius

Ruim 70 jaar na Democritus’ overlijden werd de nieuwe leer verder uitgewerkt door Epicurus (341-270 v.Chr.), het hoofd van een natuurfilosofische school in Athene. Ook voor hem was het essentieel een rationele kijk op de natuur te ontwikkelen, waardoor de mens onbevangen in het leven kon staan. Voor beangstigende natuurverschijnselen als donder en bliksem, aardbevingen en overstromingen, moesten redelijke verklaringen te vinden zijn. De verzinsels van dichters, die alles aan de goden op de Olympus toeschreven, waren, wat hem betreft, rijp voor de prullenbak.

Er zouden best goden kunnen bestaan, volgens Epicurus, maar die zijn er dan in elk geval niet om ons te terroriseren. De mens moet in alle gemoedsrust ( ataraxia) kunnen leven en dat kan alleen als hij zich toelegt op de natuurwetenschap. In die samenhang zijn de zintuigen van groot belang: al wat zij registreren moet als richtsnoer dienen bij het denken, zowel over onwaarneembaar kleine als over onwaarneembaar grote dingen. Als onze ogen rondom ons een eindig aantal soorten dingen zien (dieren, planten, mineralen, enz.), dan moet er ook een eindig aantal soorten atomen bestaan en bovendien een eindig aantal werelden als de onze in het, ook voor Epicurus, oneindig grote heelal. Van elke afzonderlijke _atoom_vorm moeten er natuurlijk wel oneindig veel exemplaren bestaan: anders is de kans nihil dat er ooit zoiets als onze aarde ontstaat. Hij vergeleek de atomen wel met schelpen of graankorrels. Epicurus’ atomen zijn verder gelijk aan die van Leucippus en Democritus: ook zij moeten immers de eeuwigdurende onveranderlijkheid van de natuur garanderen. Epicurus heeft zijn leer verwerkt in een verhandeling Over de natuur, waarvan recentelijk fragmenten zijn teruggevonden.

Afb1: Bronzen borstbeeld van Epicurus (341-270 v.Chr.) (teruggevonden bij de opgravingen in Herculaneum; Museo Archeologico Nazionale, Napels)

In de eerste eeuw voor Christus stond Griekenland onder Romeins bestuur. De wat ruwe Romeinen vergaapten zich aanvankelijk aan de rijke Griekse kunst en wetenschap. In de hogere kringen werd het later normaal een Grieks geleerde als slaaf in huis te hebben voor de opleiding van de kinderen. Eén zo’n bewonderaar was Lucius Calpurnius Piso Caesoninus, een hoge magistraat die als proconsul in Macedonië de natuurfilosofie van Epicurus had leren kennen en waarderen. Na zijn pensionering liet hij in Herculaneum (tegenwoordig Ercolano geheten), aan de midden-Italiaanse westkust een prachtig buitenhuis bouwen, een oord van geleerdheid, waarvoor Epicurus’ Atheense school model zouden hebben gestaan. Hij nam zelfs filosofen tegen betaling in dienst om met hen van gedachten te kunnen wisselen. Zij gaven, naar verluidt, onderwijs aan geïnteresseerden uit Piso’s kennissenkring en konden daarbij gebruik maken van diens bijzonder rijke privé-bibliotheek.

Afb.2: Een fragment van Epicurus’ verhandeling Over de natuur (papyrus, teruggevonden in Herculaneum; geprepareerd door Knut Kleve). Sommige letters (hoofdletters!) zijn duidelijk leesbaar.

Eén van deze huisfilosofen was Titus Lucretius Carus (ca.95-ca.55 v.Chr.). Deze Lucretius is bekend geworden om een schitterend leerdicht waarin hij de _atoom_theorie van Epicurus op rijm heeft uitgewerkt. Dit leerdicht is getiteld De rerum natura, oftewel Over de natuur der dingen. Bij recente opgravingen in Herculaneum zijn boekenrollen (op papyrus) te voorschijn gekomen, waaronder één met daarop De rerum natura. Hieronder staat in Afb.3 een fragment afgedrukt waarin Lucretius’ Latijnse woord voor atomen kan worden herkend aan de eerste letters, namelijk de p en de r van primordia.

Afb.3: Reconstructie van een fragment uit De rerum natura van Lucretius door de classicus Knut Kleve (Oslo). Op het verkoolde papyrus fragment (boven) kon hij met speciale technieken letterresten zichtbaar maken. Uitgetekend (midden) leverden deze verschillende mogelijkheden. Met behulp van een computergestuurd zoekprogramma, gebaseerd op de oudst bekende manuscripten, waaronder de Codex Vossianus oblongus (ca.800 n.Chr.; zie hierna Afb.4), konden deze beperkt worden tot de (onder) aangegeven lettercombinatie ..METPR. Het blijkt te gaan om delen van de versregels 1109-1111 uit het eerste deel van het leerdicht. De letters PR blijken de beginletters van het woord PRIMORDIA, Lucretius’ term voor atomen. Merk op dat men uitsluitend met hoofdletters schreef en geen spaties gebruikte.

Nieuwe generaties studenten – aan de hogescholen in het Latijns geworden Westen, dan wel in het Grieks gebleven Oosten – maakten afschriften van zo’n tekst en namen deze mee naar huis namen. Teruggekeerd werd zo’n copie zelf weer gebruikt als bron en overgeschreven door belangstellende geleerden uit de buurt, voor eigen gebruik. Zo verbreidde zich de wetenschap over de wereld en bleef de Griekse en Romeinse cultuur bewaard. Veel ging verloren als gevolg van volksverhuizingen, natuurrampen en oorlogen, maar hier en daar, meestal in kloosterbibliotheken, bleven er exemplaren bewaard.

Afb.4: Eerste regels van een van de oudst bewaard gebleven, complete manuscripten van Lucretius’ werk De rerum natura, de zgn. Codex Vossianus oblongus. Het is waarschijnlijk rond 800 n.Chr. tot stand gekomen in een van de scriptoria (schrijfcentra) van Karel de Grote ( Universiteitsbibliotheek Leiden).

Onder keizer Karel de Grote werden, rond het jaar 800 n.Chr., vele werken opnieuw (in veelvoud) overgeschreven in een speciaal ontwikkeld nieuw handschrift en over de scholen van zijn rijk verspreid. De oudst bekende, complete versie van Lucretius’ leerdicht stamt uit deze tijd (zie Afb.4). Tijdens de Renaissance werden vele Griekse en Romeinse meesterwerken als het ware herontdekt door geleerden die er naar op zoek gingen in kloosterbibliotheken, waarvan een klein aantal alle rampspoed hadden weten te doorstaan. Met name de kloosters van Benediktijner monniken stonden bekend als schatkamers van geschriften uit de Klassieke Oudheid. Het eerste klooster van deze door Benediktus van Nursia gestichte orde dateert uit 529 n.Chr.

Zo werd in het voorjaar van 1417 door de pauselijk secretaris Poggio Bracciolini in het Benediktijnenklooster van Murbach (Zwitserland) een exemplaar van Lucretius’ meesterwerk teruggevonden. Hij liet er ter plaatse een afschrift van maken en nam dat mee terug naar Rome, waar deze copie zelf als ‘bron’ van copiïsten ging dienen. Rond 1445 werd de boekdrukkunst uitgevonden, een revolutionaire ontwikkeling. In 1473 kreeg ook Lucretius’ werk de eer die het toekwam en werd voor het eerst gedrukt, en wel in de Noord-Italiaanse plaats Brescia. Het beleefde herdruk op herdruk, waarbij de belangstelling zich geleidelijk aan richting noord-west-Europa verbreidde. In 1589 werd het in Leiden, de kersverse universiteitsstad, voor het eerste gedrukt. In 1595 en 1611 volgden nog twee Leidse edities; in 1620 een Amsterdamse.. Een exemplaar van deze editie kwam rond 1612 in handen van de Zeeuwse geleerde Isaac Beeckman (1588-1637).

Afb.5: Eén van de eerste Leidse edities van Lucretius’ leerdicht, in 1595 gezet bij Plantijn en gedrukt bij Franciscus Raphelengius ( Koninklijke Bibliotheek, Den Haag).

De eerste molecuultheorie; Isaac Beeckman (1620)

Isaac Beeckman was in Middelburg geboren en had tussen 1606 en 1610 aan de universiteit van Leiden theologie en natuurkunde gestudeerd. Hij had dominee willen worden, maar dat lukte niet. Rond 1612 ging hij thuis verder studeren, waarbij twee auteurs zijn bijzondere belangstelling kregen: Lucretius en de medicus Galenus. De laatste stond bekend als de grootste geneeskundige van de Oudheid. Hij was de uitdenker van de zgn. humorale geneeskunde, volgens welke de gezondheid van een mens bepaald wordt door een evenwicht tussen de humores oftewel de lichaamssappen, waarvan er vier zouden zijn: bloed, slijm, gele gal en zwarte gal. Wordt dat evenwicht verstoord, dan treedt ziekte in. Krijgt hij of zij om een of andere reden teveel bloed, zoals bij koorts, dan moet het teveel afgetapt worden. Vandaar dat aderlating en vergelijkbare technieken zeer gebruikelijk waren. Beeckman zou de _atoom_theorie van Lucretius combineren met de humorale geneeskunde van Galenus. In 1618 zou hij daarop promoveren tot doctor in de geneeskunde.

Afb.6: Titelpagina van het proefschrift in de geneeskunde dat Isaac Beeckman op 14 september 1618 verdedigde aan de Universiteit van Caen ( British Library, Londen).

Van Lucretius nam Beeckman de _atoom_theorie over. Volgens Beeckman waren er maar vier soorten atomen, net zoveel als dat er elementen werden aangenomen, namelijk Aarde, Water, Lucht en Vuur. Dat was geheel nieuw. De lichaamsvochten van Galenus zouden in laatste instantie ook uit die vier _atoom_soorten bestaan. Gezondheid kwam dan ook volgens Beeckman neer op een juiste verhouding van de vier _atoom_soorten in het menselijk lichaam als geheel. Spieren, pezen, botten, hart en lever konden alleen naar behoren functioneren als die juiste verhouding bestond. Afwijkingen betekenden ziekten, die alleen genezen konden worden door de toediening van geneesmiddelen, die aanvulden wat tekort kwam dan wel wegnamen wat teveel was. Over de werking van die geneesmiddelen bedacht Beeckman iets volkomen nieuws. Hij wist dat als een mens het koud heeft en kennelijk teveel Vuur-atomen is kwijt geraakt een stevig haardvuur helpt, maar ook een glas brandewijn, bedoeld als geneesmiddel (jenever, vieux, ..). Een glas brandewijn werkt in elk geval beter dan een glas wijn en een glas wijn, op zijn beurt, weer beter dan een (even groot!) glas bier. Volgens Beeckman kwam dit doordat de genezende kracht van een medicijn schuilt in onwaarneembaar kleine deeltjes die hij homogenea noemde. In een glas brandewijn zitten eenvoudig meer van dergelijke vuurrrijke homogenea dan in een even groot glas wijn, en in dat glas wijn weer meer dan in een even groot glas bier. Hij had ze ook moleculen kunnen noemen, wat ons betreft, maar dat woord bestond nog niet. Elke stof zou uit eigen homogenea bestaan. Als de stof zuiver is gaat het om één soort homogenea, is het een mengsel dan gaat het om meer dan één soort. Stoffen als water, zout en aluin vatte Beeckman dan ook op als opeenhopingen van éénsoortige homogenea. Ook spieren en botten zag hij als dergelijke opeenhopingen. Ziekte kwam dan neer op een verstoring in de samenstelling van de betrokken homogenea. Heeft men kou gevat dan zijn er kennelijk nogal veel homogenea die hun Vuur-atomen geheel of gedeeltelijk zijn kwijtgeraakt. Herstel kan tot stand worden gebracht door de toediening van homogenea die veel Vuur-atomen bevatten en in staat zijn die over te dragen op de getroffen homogenea van het lichaam.

Deze homogenea zijn dus opgebouwd uit atomen van de vier erkende soorten, waar-van er nooit een mag ontbreken. Het allerkleinste homogeneum bestaat dus uit vier atomen, van elke soort één, met andere woorden: uit één Aarde- atoom, één Water- atoom, één Lucht- atoom en één Vuur- atoom. Beeckman heeft zich wijselijk niet uitgelaten over de precieze vorm van die verschillende soorten. Om enigszins begrijpelijk te maken wat hij bedoelde hebben wij hieronder fantasie-vormen gebruikt (Afb.7). homogenea vergeleek hij overigens met levende wezens op ons waarnemingsniveau, geheel in de geest van Epicurus, die immers ook de waarneming als leidraad had gekozen. Zoals de ons bekende levende wezens (meestal) uit tenminste één (of meer) van de volgende delen in een bepaalde ruimtelijke ordening bestaan: kop, been, arm en romp, zo bestaat een homogeneum uit de vier soorten atomen, ook in een typerende structuur.

Afb.7: Beeckmans vier atoom-soorten en hun grootte-traject. De vormen zijn willekeurig gekozen; de kleine verschillen in vorm die gelijksoortige atomen vertonen moeten erbij gedacht worden.

Gelijksoortige levende wezens zijn echter, hoe zeer ze ook op elkaar lijken, nooit voor 100% identiek: zij vertonen geringe verschillen in kop(pen), benen, armen en romp(en). (tegenwoordige biologen noemen dat variabiliteit). Volgens Beeckman geldt dit nu ook voor de homogenea en de hen samenstellende atomen van de vier elementen: atomen van dezelfde soort verschillen onderling een beetje in vorm en in grootte, net als graankorrels of kastanjes op ons niveau. In Afb.7 staat gemakshalve alleen het grootte-traject afgebeeld. In Afb.8 kan men zien dat als gevolg van de variaties bij de atomen ook de homogenea van de eenvoudigste soort onderling moeten verschillen, al is de ruimtelijke ordening, de structuur, steeds dezelfde.

Afb.8: De eenvoudigste homogeneum-soort volgens Beeckman: elk exemplaar bevat van elke _atoom_soort één atoom. De ruimtelijke ordening, de structuur, is in alle zes afgebeelde gevallen dezelfde. Toch zijn ze niet identiek, als gevolg van de variabiliteit van de samenstellende atomen.

Beeckmans ideeën werden overgenomen door zijn vriend, de later beroemd geworden wiskundige en natuurfilosoof René Descartes (1596-1650). Deze keek alleen naar de uitwendige vorm van Beeckmans homogenea: elke stof zou bestaan uit een eigen deeltjessoort met een kenmerkende geometrische vorm en karakteristieke beweging. Hieronder hebben wij de prent overgenomen, Afb.9, waarin Descartes zijn deeltjestheorie aan de hand van het gedrag van water onder verschillende weersomstandigheden illustreerde.

Afb.9: Het gedrag van water- deeltjes volgens René Descartes (uit: Les météores [..], 1637). Door de warmte van de zon verdampen ze bij A uit de zee en stijgen op, al ronddraaiende (B); achter de bergen, bij G, zijn zijn hun extra-beweging kwijtgeraakt en vormen zij ‘regen’. Bij C t/m F staan tussentoestanden afgebeeld.

Het vervolg

De molecuultheorie verbreidde zich geleidelijk over de natuurwetenschappen. Aan het eind van de 17de eeuw waren Huygens, Newton, Stahl en Van Leeuwenhoek aanhangers van verschillende vormen, al naar gelang hun invalshoek. Rond 1750 erkende men anorganische en organische moleculen. De opvattingen van Hugens, Newton en Stahl betroffen anorganische moleculen; die van Van Leeuwenhoek organische. Beide varianten gaan terug op Beeckmans theorie, die zowel voor de deeltjes van lichaamsweefsels als voor die van medicijnen was bedoeld.

Achtergrondliteratuur

A.G.M. van Melsen, Van atomos naar atoom. De geschiedenis van het begrip atoom, Utrecht-Antwerpen: Het Spectrum, 1962.

H.H. Kubbinga, De molecularisering van het wereldbeeld, Hilversum: Verloren, 2003-2005, deel 1, hfst. 1 en 2.

Over de auteur

Henk Kubbinga (RU Groningen) studeerde scheikunde aan de Vrije Universiteit. In 1983 promoveerde hij aan de Ecole des Hautes Etudes en Sciences Sociales (EHESS) te Parijs op een proefschrift over de geschiedenis van de molecuultheorie tot 1800. Als ‘Akademie-onderzoeker’ mocht hij het proefschrift omwerken tot een omvattende monografie, waarop hij in 1996 habiliteerde, opnieuw aan de EHESS. Het resultaat verscheen in 2001 (met dank aan NWO en de Stichting Physica) bij Springer-Verlag France (Parijs) onder de titel L’Histoire du concept de « molécule ». Een ingekorte Nederlandstalige versie verscheen onder de titel De molecularisering van het wereldbeeld (Hilversum: Verloren; deel 1, 2003; deel 2, 2005). Een Engelse vertaling hiervan is in voorbereiding. Kubbinga werd in 2006 benoemd tot lid van de History of Physics Group van de European Physical Society.

Henk Kubbinga onder de welwillende ogen van Niels Bohr (als gast van de Niels Bohr Library van het AIP-Center for the History of Physics, Collegepark, MD).