De vele gezichten van de leegte

Wie denkt aan het vacuüm denkt al gauw aan de barome­ter of de luchtpomp. Maar het idee van het ruimtelijke niets kent vele gezichten en een lange geschiedenis. Al in de Oud­heid hielden atomisten vast aan het bestaan van 'lege ruimtes' waardoor hun atomen zich konden verplaat­sen. Maar de grote Aristoteles vond dat idee ondoordacht. Was het bestaan van lege ruimtes werke­lijk nodig om de mogelijk­heid van bewe­ging te verklaren?

Aristoteles zette de vraag op zijn kop. Beweging veronderstelt geen vacuüm, maar sluit het bestaan van een leegte juist uit! In een vacuüm is er geen medium en dus ook geen dichtheid. Er blijft met andere woorden niets over van de factoren die in normale omstandigheden een beweging beïnvloeden. Bewegen kan niet in een vacuüm. Een object zou niets meer te doorploegen hebben en zou al zijn oriëntatie verliezen.
Aristoteles zag geen reden om de ruimte van haar materiële inhoud te scheiden. Natuurlijk kun je je een lege ruimte voorstellen. Je abstraheert dan de dimensies van de dingen zelf. Maar dat wil niet zeggen dat die dimensies ook zonder een lichaam bestaan. In werkelijkheid, zei Aristoteles, be­staan afmetingen niet los van wat er wordt afgemeten. Een lege ruimte is enkel een gedachteplek, die niets bijdraagt aan de opbouw van de wereld.

Knipperlicht

Het latere succes van Aristoteles opvattingen was mede te danken aan het athe­stische ka­rakter van de theorieën die hij be­streed. Zijn middeleeuwse navolgers hadden geen trek in godde­loze atomis­ten. Hun vacuüm werd een merkteken van heidens filosoferen en de voor-christelijke Aristoteles werd ineens een christe­lijke held. Toch zou het idee van de leegte op­nieuw grote aantrekkingskracht gaan uitoefenen op het moment dat Aristote­les' natuurfilosofie niet meer voldeed. De Friese sterren­kundige Jan Fokkes van Holwerd (of Johannes Phocylides Holwar­da, zoals hij zich aan de uni­versiteit ging noemen) ontdekte in 1638 een langperiodieke ster, een soort knipper­licht aan de hemel. Dat kon niet volgens Aristoteles en dus verloor Jan Fokkes alle vertrouwen in de denkbeelden van de oude Griek. Toen Holwarda natuurfilosofie ging doceren in Frane­ker, greep hij terug op het atomisme. Bij hem ontstond er opnieuw een scherpe scheiding tussen materie en ruimte. Als een compact lichaam vervluchtigt, komen er geen nieuwe deel­tjes bij. Maar er raken wel meer delen van de ruimte betrok­ken. Dat kan niets anders betekenen dan dat sommige ruimtes leeg achterblijven.

Holwarda bood bovendien een interessante verklaring voor de natuurfilosofische angst voor de loze ruimte. Het bestaan van ruimtes tussen atomen is alleen twijfelachtig omdat we op macroscopisch niveau de natuur zien wedijveren met lege ruim­tes: wat openvalt wordt direct door iets anders gevuld. Maar dat komt, stelde Holwarda, door de druk van de dampkring. Je kunt een blaasbalg waarvan het uiteinde dichtzit niet openen omdat je niet sterk genoeg bent om de luchtdruk te overwinnen. En was je dat wel, dan was de blaasbalg zelf niet sterk genoeg en zou je hem eerder breken dan openen.

Leegte was dus niet langer onmogelijk, maar slechts ongebrui­kelijk geworden. Wat Holwarda bedacht, sloot naadloos aan bij wat anderen buiten Friesland met experimenten onderzochten. Door te kiezen voor kwik in plaats van water had Evangelista Torri­celli in 1644 in Florence kunnen aantonen dat er een limiet was aan de hoogte van een vloeistofkolom die in een omgekeerde buis uitsteekt boven het oppervlak. In navolging van Galilei bracht hij dit fenomeen in verband met de zwaarte van de omringende lucht. Die was ongetwijfeld zeer groot, maar niet oneindig en zou dus in bijzondere gevallen een vacuüm kunnen laten ontstaan. Zo was het ook in dit geval: de ruimte boven de kwikkolom bleef leeg.

Eenmaal op de hoogte van de Italiaanse experimenten bedacht Blaise Pascal in Frankrijk dat de lengte van de kwikkolom zou moeten variëren wanneer de druk van de lucht verandert. Hij vroeg zijn zwager Florin Périer eens met een kwikbuis de Puy de Dôme te beklimmen om te kijken of het niveau van de vloei­stof in de ijle lucht aan de top zou zakken. Het duurde een tijdje voordat Florin daar zin in had, maar het resultaat was het wachten waard. Op 19 september 1648 stond het kwik aan de top van de Puy de Dôme veel lager dan beneden in het dal. En de bergwandeling was niet eens nodig geweest, want de volgende dag bleek zelfs de beklimming van de kerktoren voldoende om het verschil in luchtdruk te meten.

Het idee van het vacuüm zou nu snel gemeengoed zijn geworden als René Descartes, de grote vernieuwer van wetenschap en filosofie, geen rem had gezet op die ontwikkeling. Het verhaal van de luchtdruk was voor hem oké, maar Descartes moest niets hebben van het vacuüm. Hij had net een nieuwe natuurkunde ontworpen die behoefte had aan een vol heelal. Elk fysisch proces moest worden verklaard uit de stroom, de stoot of de druk van de grofste soorten materie tot en met de fijnste vormen van ether. Om geen hiaten te laten vallen tussen de verschillende processen in de natuur, had dit model vanzelf­sprekend behoefte aan een heelal dat tot de nok toe is gevuld met vaste en vluchtige stoffen.

Dimensies

Maar net als Aristoteles had Descartes ook filosofi­sche rede­nen voor de afwijzing van het vacuüm. Je kunt je de leegte wel voorstellen, maar daarom bestaat ze nog niet. Je verstand zegt je dat 'uitgebreidheid' het wezen is van alle materie. Dingen strekken zich uit in lengte, breedte en hoog­te. Dat is wat we bedoelen met 'de tastbare werkelijkheid': niet wat je kunt aanraken, want je kunt ook geen lucht of ether voelen, maar wat dimensies heeft. Net als bij Aristote­les is ook hier het 'vacuüm' iets anders dan een ruimte met een lage concentratie moleculen. Een gat in de uitgebreidheid zou een gat in de werkelijkheid zijn.

Intussen namen de experimenten met 'lege' ruimtes een hoge vlucht, vooral toen technici als Robert Boyle en Jan en Pieter van Musschenbroek het luchtledige kunstmatig gingen opwekken met een luchtpomp. De nieuwe 'proefondervindelijke wijsbegeer­te' trok veel publiek. Hoeveel vogeltjes zullen er niet, uit naam van het aanschouwelijk bewijs van het luchtledige, onder een glazen stolp zijn gestorven in sjieke salons, statige vergaderzalen en universitaire laboratoria? En ook de theorie van de leegte kreeg een nieuwe impuls. Isaac Newton beweerde in tegenstelling tot Descartes dat de wereld niet bestond uit een maaltijdsoep van botsende materie­, maar uit losse lichamen die elkaar op afstand aantrekken en zich bewegen door een lege ruimte. Newton en Descartes kwamen als grootmachten tegenover elkaar te staan. 'Een Fransman', schreef Voltaire, 'die in Engeland komt, heeft de volle wereld achter zich gelaten en treft haar nu leeg aan. In Parijs ziet men het heelal opge­bouwd uit draaikolken van subtiele materie, in Londen ziet men daar niets van.'
Sommigen zochten nog naar een tussenpositie. De Zwitserse all-round geleerde Jean-Pierre de Crousaz, die nog een blauwe maandag hoogleraar in Groningen was, wilde bijvoorbeeld Newto­niaanse wis­kun­dige na­tuurwetenschap bedrijven in de volle ruimte van Descartes. Des­car­tes was niet pre­cies genoeg ge­weest, meende hij. De term 'uitge­breid­heid' kan immers zowel naar de eucli­dische, onbe­weeglijke ruimte verwij­zen, als naar soli­de, be­weeglijke lichamen. Voor een exacte om­schrij­ving van licha­me­lijkheid heb je naast het idee van 'uitgebrei­dheid' ook een idee nodig van 'soliditeit'. Daar hoopte De Crousaz op: met steeds betere filosofische concepten komen we misschien steeds dichter bij de natuur.

Zulk optimisme was in de achttiende eeuw niet onge­bruikelijk. Maar wat is daarvan overgebleven? Newton had niet zomaar een nieuw idee van de materie gegeven. Hij had veel meer gedaan: hij had het bestaan van Descartes' volle ruimte op wiskundige gronden uitgesloten. In de lege ruimtes tussen de planeten bleek namelijk niets mee te graviteren. Filosofi­sche argumen­ten maakten plaats voor mathematische precisie. Maar dat niet alleen. De wiskundige vorm van natuurwetenschap zou zich ook steeds verder verwijderen van ons voorstellings­vermogen.
 
Wij leven nu in een andere wereld. Wij zetten de TV aan of bellen mobiel en stellen ons nauwelijks iets voor bij de energie, de golven of de velden die we benutten. De kwestie van vol of leeg is voor die processen nauwelijks relevant, maar soms prikkelt ze toch nog onze fantasie. Alleen zijn de rollen nu omgekeerd. Natuurkundige modellen schrijven ons voor wat we mogen denken en wat we ons moeten proberen voor te stellen. Zitten er gaten in de werkelijkheid? Nee, zeiden Descartes en Aristoteles. De moderne fysica trekt zich niets aan van onze huis-, tuin- en keukenbegrippen en beschouwt wat er wel of niet bestaat nog louter in termen van haar model.

Het mooiste voorbeeld daarvan is wat nu bekend staat als de Big Chill, de tegenhanger van de Big Bang. De uitdijing van het heelal gaat misschien wel zo snel dat alle deeltjes uit­eindelijk te ver uit elkaar komen te liggen om nog een verband te vormen. Geen deeltje dat dan nog invloed uitoefent op een ander — als het al niet uiteengevallen is. Dan wordt, volgens sommigen, de wereld niet alleen erg leeg, maar lost zij in feite op in het niets. Geen Aristoteles of atomist, geen loodgieter of instrumentenmaker had het ooit kunnen bedenken: het einde van de wereld door een gebrek aan materiedichtheid.

Het is de vraag of je dan nog van een leegte kunt spreken. Waar niets meer is, blijft ook niets 'leegs' meer over. Leeg­te, zou een hedendaagse Descartes zeggen, kan niet zonder mate­rie.