Neutrino

NEUTRINO.OMSLAG

17-02-2012

12:52

Pagina 1

FRANK CLOSE

“Ik heb een deeltje gepostuleerd dat niet kan worden gedetecteerd,” opperde de natuurkundige Wolfgang Pauli. Er waren vele jaren, veel geduld en een flinke dosis genialiteit voor nodig om een indirecte glimp van het spookachtige neutrino op te vangen en de kist champagne te winnen die Pauli op de ontdekking had gezet. Dit is het verhaal van een van de opmerkelijkste deeltjes (zonder lading, vrijwel massaloos en eeuwenlang door materie heen vliegend voor het interactie met iets aangaat), hoe het werd gezocht en gevonden en hoe de neutrinoastronomie ons nu een blik gunt diep in het hart van ver verwijderde sterrenstelsels.

Frank Close, OBE, is hoogleraar in de natuurkunde aan de universiteit van Oxford en fellow van Exeter College. Hij was vicevoorzitter van de British Association for the Advancement of Science, hoofd van de afdeling theoretische fysica en hoofd communicatie en voorlichting bij CERN. Hij is de auteur van een aantal boeken, waaronder Antimatter (2009) en de bestseller Lucifer’s Legacy (2000). Hij ontving de Kelvin Medal van het Institute of Physics voor zijn ‘buitengewone bijdragen aan de popularisering van de natuurkunde’. In 2006 kreeg hij de Britse prijs voor wetenschappelijk schrijven voor zijn in memoriam van Ray Davis, wat hem inspireerde tot het schrijven van Neutrino. Andere boeken van Frank Close zijn onder meer Nothing: A Very Short Introduction (2009) en The New Cosmic Onion (2006).

www.veenmagazines.nl

9 789085 711018

FRANK CLOSE

NEUTRINO.OMSLAG

17-02-2012

12:52

Pagina 1

FRANK CLOSE

“Ik heb een deeltje gepostuleerd dat niet kan worden gedetecteerd,” opperde de natuurkundige Wolfgang Pauli. Er waren vele jaren, veel geduld en een flinke dosis genialiteit voor nodig om een indirecte glimp van het spookachtige neutrino op te vangen en de kist champagne te winnen die Pauli op de ontdekking had gezet. Dit is het verhaal van een van de opmerkelijkste deeltjes (zonder lading, vrijwel massaloos en eeuwenlang door materie heen vliegend voor het interactie met iets aangaat), hoe het werd gezocht en gevonden en hoe de neutrinoastronomie ons nu een blik gunt diep in het hart van ver verwijderde sterrenstelsels.

Frank Close, OBE, is hoogleraar in de natuurkunde aan de universiteit van Oxford en fellow van Exeter College. Hij was vicevoorzitter van de British Association for the Advancement of Science, hoofd van de afdeling theoretische fysica en hoofd communicatie en voorlichting bij CERN. Hij is de auteur van een aantal boeken, waaronder Antimatter (2009) en de bestseller Lucifer’s Legacy (2000). Hij ontving de Kelvin Medal van het Institute of Physics voor zijn ‘buitengewone bijdragen aan de popularisering van de natuurkunde’. In 2006 kreeg hij de Britse prijs voor wetenschappelijk schrijven voor zijn in memoriam van Ray Davis, wat hem inspireerde tot het schrijven van Neutrino. Andere boeken van Frank Close zijn onder meer Nothing: A Very Short Introduction (2009) en The New Cosmic Onion (2006).

www.veenmagazines.nl

9 789085 711018

FRANK CLOSE

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 5

Inhoud

RAY DAVIS

6

VOORWOORD

7

1

EEN WANHOPIGE OPLOSSING

9

2

HET ONZICHTBARE ZIEN

21

3

DE HOOFDPRIJS IN DE LOTERIJ

29

4

SCHIJNT DE ZON NOG?

39

5

HOEVEEL ZONNENEUTRINO’S?

51

6

ONDERGRONDSE WETENSCHAP

61

7

EEN, TWEE, DRIE

71

8

MEER ONTBREKENDE NEUTRINO’S

85

9

‘IK KAN WEL DANSEN, ZO BLIJ BEN IK’

95

10

EXTRAGALACTISCHE NEUTRINO’S

105

11

HERHALING

117

NOTEN

127

REGISTER

129

5

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 6

Ray Davis Door middel van röntgenstralen, die veel dieper doordringen dan gewone lichtstralen, kun je in je hand kijken. Met neutrino’s, die zelfs nog dieper dan röntgenstralen doordringen, kun je binnen in de zon kijken.

(Nobelceremonie, 2002)

Ray Davis was de eerste die in het binnenste van een ster keek. Dat deed hij door het invangen van neutrino’s, spookachtige deeltjes die in het inwendige van de zon worden geproduceerd en de ruimte instromen. Terwijl je dit leest, schieten er miljarden ongezien met de lichtsnelheid door je ogen.

Neutrino’s benaderen het niets als geen ander deeltje en ze zijn zo ongrijpbaar dat ze bijna onzichtbaar zijn. Toen Davis in 1960 naar zonneneutrino’s op zoek ging, dachten veel natuurkundigen dat hij het onmogelijke wilde. Ze hadden bijna gelijk: er ging veertig jaar voorbij voordat hij het bewijs vond en waarvoor hij, 87 jaar oud, in 2002 de Nobelprijs ontving. Een lang leven is een voordeel als het om neutrino’s gaat. Niet iedereen zou zo veel geluk hebben.

6

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 9

1 EEN WANHOPIGE OPLOSSING

Neutrino’s zijn zowel de meest voorkomende als de vreemdste dingen die deel uitmaken van ons heelal. Ze vliegen door de aarde als kogels door de mist en zijn zo moeilijk te vinden dat we er vijftig jaar na hun ontdekking nog minder van weten dan van alle andere vormen van materie die we ooit hebben waargenomen.

Sommige van deze ‘dwaallichtjes’ komen uit de grond onder onze voeten, uitgezonden door de natuurlijke radioactiviteit van gesteenten. Andere zijn het gevolg van de radioactiviteit van ons eigen lichaam, maar de meeste die we hier tegenkomen zijn in het centrum van de zon ontstaan, minder dan tien minuten geleden. In enkele seconden straalt de zon meer neutrino’s uit dan er zich zandkorrels in alle woestijnen en stranden ter wereld bevinden. Of zelfs meer dan alle atomen van alle mensen die ooit hebben geleefd. Maar ze zijn onschuldig: het leven is geëvolueerd te midden van deze storm aan neutrino’s.

Neutrino’s kunnen bijna net zo gemakkelijk door de zon heen reizen als door de aarde. Enkele seconden na hun ontstaan zijn deze horden aan het oppervlak ontsnapt en de ruimte in gestroomd. Als we met neutrino-ogen konden zien, zou de nacht zo helder als de dag zijn. Neutrino’s van de zon schijnen overdag in ons gezicht en ’s nachts op ons bed, ongedimd.

Niet alleen de zon, maar ook alle sterren, zowel degene die met het blote oog als de talloze die met de sterkste telescopen zichtbaar zijn, vullen de lege ruimte met neutrino’s. Het heelal is er tot in de verste hoeken, ver van de zon en de sterren, van doordrenkt.

Je produceert ze ook zelf. Sporen radioactief kalium en calcium in je botten en tanden produceren neutrino’s. Dus terwijl je dit leest, bestraal je het heelal.

Er zijn meer neutrino’s dan welke andere deeltjes dan ook, in elk geval veel meer dan de elektronen en protonen waaruit de sterren en de zichtbare materie, zoals jij en ik, bestaan. Vroeger werd gedacht dat ze geen massa bezaten en dat ze met de 9

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 10

EEN WANHOPIGE OPLOSSING

snelheid van het licht reisden; tegenwoordig weten we dat ze weinig massa bezitten, maar zo weinig dat niemand hem nog heeft kunnen meten. We weten alleen dat als je een subatomaire weegschaal zou hebben, je minstens 100.000 neutrino’s nodig hebt om met één elektron in balans te zijn. Toch zorgt hun grote aantal ervoor dat ze met zijn allen meer wegen dan alle zichtbare materie in het heelal.

De neutrino’s van de zon die door je heen zijn gegaan terwijl je dit begon te lezen, zijn Mars al voorbij. Over een paar uur passeren ze de verre grenzen van ons zonnestelsel en gaan ze op weg de grenzeloze kosmos in. Zou je een neutrino zijn, dan was de kans groot dat je onsterfelijk was en dat je in geen miljarden jaren tegen een atoom op zou botsen.

Als je een neutrino in een verre uithoek van de ruimte zijn levensgeschiedenis zou vragen, dan zou deze waarschijnlijk zo oud als het heelal blijken te zijn. De vele neutrino’s die in de zon en de sterren zijn ontstaan, zijn relatief jong. De meeste neutrino’s zijn fossiele overblijfselen van de oerknal en reizen al meer dan 13 miljard jaar ongezien door de ruimte.

Neutrino’s vliegen door het universum alsof ze slechts toeschouwers zijn, alsof wij er niet zijn.

Ze zijn zo ongrijpbaar dat het opvallend is dat we van hun bestaan op de hoogte zijn. Hoe hebben deze spookachtige, onzichtbare deeltjes zichzelf blootgegeven?

Waarom heeft de natuur ze nodig? Wat voor nut hebben ze?

De natuur weet haar geheimen goed verborgen te houden, maar er zijn aanwijzingen. Het is gewoon een kwestie van opletten en actie ondernemen. 5 Miljard jaar geleden, toen de cocktail van elementen uit een supernova condenseerde tot het gesteente van de pasgeboren aarde, werden er ook radioactieve atomen ingevangen.

Radioactiviteit treedt op wanneer de kernen van atomen spontaan van vorm veranderen: graniet bijvoorbeeld is nooit hetzelfde. Zolang de aarde heeft bestaan, zijn atomen van uranium en thorium, gebonden in de mineralen van de korst, uiteengevallen en omlaag door het periodiek systeem in steeds lichtere elementen getransmuteerd, totdat ze in stabiele loodatomen zijn omgezet. In deze natuurlijke, radioactieve chronometer zijn de neutrino’s ontstaan. En hier begint ons verhaal.

Radioactiviteit Toeval speelt in de wetenschap een grote rol, maar om de hoofdprijs te winnen is het niet voldoende op het juiste moment op de juiste plaats te zijn. Je moet ook het geschenk dat de serendipiteit je geeft, kunnen herkennen. Als Wilhelm Röntgen in november 1895 niet uit zijn ooghoek had gekeken toen hij de deur van zijn donkere laboratorium sloot of als hij verder geen aandacht had besteed aan de vage glinstering die hem op dat moment opviel, dan zou hij geen röntgenstraling hebben ontdekt. Röntgen ontdekte dat wanneer een stroom elektronen tegen glas botst, 10

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 11

EEN WANHOPIGE OPLOSSING

er mysterieuze stralen worden geproduceerd die door vaste stof, zoals de huid, heen kunnen dringen. Dit bizarre verschijnsel, dat in staat was botten als schaduwen op een fotografische plaat weer te geven, vormde het begin van de atoomwetenschap en de inspiratie voor het werk dat tot de ontdekking van de radioactiviteit zou leiden.

Ook hier kwam het toeval om de hoek kijken. De röntgenstraling was sensationeel nieuws en stond in het middelpunt van de belangstelling toen de Franse academie van wetenschappen op 20 januari 1896 bijeenkwam. Op de bijeenkomst was Henri Becquerel aanwezig, die zijn vaders belangstelling voor fosforescentie had overgenomen. Bij fosforescentie gaan sommige stoffen gloeien nadat ze aan licht zijn blootgesteld, waarbij ze dus feitelijk straling hebben opgeslagen. Niemand had ook maar enig idee wat röntgenstralen waren, maar er werd veel gediscussieerd of ze samenhingen met de fosforescentie van het glas in het toestel van Röntgen. Becquerel realiseerde zich onmiddellijk dat deze puzzel net iets voor hem was. Jaren eerder had hij met zijn vader enkele fosforescerende kristallen gemaakt en hij nam zich voor te kijken of ze röntgenstralen uitzonden. Als voorbeeld nam hij een verbinding van kalium, zwavel en uranium.

Dat was de eerste keer dat hij geluk had. Het element uranium bleek cruciaal te zijn.

Hij legde de fosforescerende stof op een fotografische plaat die ter bescherming tegen licht in papier was gewikkeld. Hij liet het geheel in de zon staan. Het zonlicht bracht zijn energie over op het fosforescerende materiaal maar niet op de platen, dus toen ze werden ontwikkeld, zag Becquerel tot zijn opwinding een vage afdruk.

Toen hij een stuk metaal tussen het materiaal en de plaat schoof, werd ook hiervan een duidelijke omtrek zichtbaar. Zijn eerste reactie was dat het zonlicht de uitzending van röntgenstraling op gang had gebracht doordat het wel door het papier maar niet door het metaal was gedrongen en zo de schaduw had veroorzaakt.

Vanaf dat punt speelt alleen nog geluk een rol in het verhaal. Het weer werd winters en tijdens de laatste dagen van februari was het in Parijs bewolkt. Zonder zonlicht kon Becquerel geen energie aan zijn monster toevoeren. Het was onmogelijk om fosforescentie op te wekken en dus ook geen röntgenstralen, zo meende hij.

Hij bewaarde zijn monster in een kast terwijl hij op mooi weer wachtte. Maar dat kwam niet. Hij gaf het ten slotte op en op 1 maart, het wachten moe, besloot hij de plaat alsnog te ontwikkelen. Becquerels zoon noteerde dat Henri ‘met stomheid geslagen’ was toen hij zag dat de schaduwen nog intenser waren dan degene die hij eerder die maand met zonlicht had verkregen.a Wat de straling ook mocht zijn, er was geen zonlicht voor nodig. Ze trad spontaan op, zonder voorafgaande stimulatie. Dit was volkomen nieuw. Röntgenstralen waren het gevolg van een elektrische stroom die energie aan glas had

11

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 12

EEN WANHOPIGE OPLOSSING

toegevoerd; fosforescentie was het gevolg van zonlicht als energieleverancier – de straling van Becquerel leek uit het niets te komen.

Het geluk was Becquerel tweemaal goed gezind: hij gebruikte uranium, dat straling uitzendt zonder dat het hiertoe hoeft te worden aangezet, en het sombere weer had dit indirect aan het licht gebracht. Het derde toeval was dat hij de fout had vermeden aan te nemen dat het donker worden aan de slechte kwaliteit van de platen lag. Dit was natuurlijk wel mogelijk en zelfs waarschijnlijk en daarom was het gebruik van het stuk metaal cruciaal. De schaduw ervan toonde aan dat er echt stralen van bovenaf kwamen en dat de afdruk op de fotografische plaat niet te wijten was aan een fout van de plaat zelf. Dit laatste was geen geluk, maar een voorbeeld van zorgvuldig wetenschap bedrijven, als gevolg waarvan Henri Becquerel de radioactiviteit ontdekte.

Hij gaf er echter niet die naam aan (die kwam later van Marie en Pierre Curie), en hij had ook geen idee wat het was. De meeste mensen negeerden hem zelfs. In de jaren daarvoor waren er enkele vreemde verschijnselen opgetreden, zoals fluorescentie en röntgenstralen, en een nieuwe vorm van straling leek dus niet zo bijzonder. Deze bleek echter van zeer groot belang.

Alfa, bèta, gamma In veel detectiveverhalen wordt de zogenaamde perfecte misdaad opgelost door een miniem spoor te volgen dat op de plaats van de misdaad is achtergelaten. Becquerel had slechts een veeg op een fotografische plaat gevonden, een veeg die zo onopvallend was dat hij gemakkelijk over het hoofd kon worden gezien. Maar in dit kleine vleugje straling bleek Moeder Natuur de route te hebben uitgestippeld naar de geheimen der schepping. Natuurlijk, noch Becquerel, noch iemand anders wist dat of kon dat toen zelfs maar vermoeden. Hij had alleen maar een vage afdruk en de onmiddellijke uitdaging was om te begrijpen wat deze inhield.

Marie en Pierre Curie gingen op zoek naar de stralingsbron door de elementen in pekblende, een radioactieve stof, te isoleren en uit te zoeken welke monsters meer radioactief waren, waarna ze selectief werden gezuiverd totdat de radioactieve straling toenam. Als gevolg daarvan vond Marie een nieuw element, polonium, dat sterk radioactief was. En nog beter, ze vond radium. Als het bestaan van radioactiviteit al controversieel was geweest, dan waren alle twijfels hiermee verdwenen. Radium is dermate radioactief dat het warm aanvoelt in de hand. Deze warmte laat zien dat de stof spontaan energie uitzendt, dag in dag uit. Marie Curie kon zich nog niet bewust zijn van de gevolgen van deze kracht. Er zouden jaren verstrijken voordat de effecten van de straling zich op het lichaam manifesteerden, maar toen was het al te laat: ze vertoonde reeds tekenen van stralingsziekte.

De ontdekking van radium had twee belangrijke gevolgen. In de eerste plaats 12

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 13

EEN WANHOPIGE OPLOSSING

toonde ze aan dat radioactiviteit, zoals de Curies het noemden, niet tot uranium beperkt is. Ze is een natuurlijke eigenschap van sommige elementen waarbij deze spontaan energie uitzenden zonder voorafgaande stimulatie. Ten tweede was de wetenschap niet langer afhankelijk van vage afdrukken op fotografische platen; de radioactiviteit van radium was zo sterk dat de effecten ervan gevoeld, gemeten en geanalyseerd konden worden. Het onderzoek kon nu snel vooruitgang boeken.

Degene die de aard van de radioactieve straling identificeerde en er nagenoeg in zijn eentje gebruik van wist te maken, was Ernest Rutherford. In 1895 had hij als student in zijn geboorteland Nieuw-Zeeland ontdekt hoe je radiogolven kon detecteren, vele jaren vóór Marconi.1 Rutherford kreeg de tweede prijs in de competitie voor de beurs die naar de tentoonstelling van 1851 was genoemd en waarmee afgestudeerden hun studie in het buitenland konden voortzetten. Gelukkig voor hem besloot de winnaar dat van jaar, J.C. Maclaurin, vanwege familieomstandigheden in Nieuw-Zeeland te blijven, wat een beslissend moment in de geschiedenis van de wetenschap zou blijken te zijn. Rutherford kreeg zodoende de beurs en kwam juist op tijd in september 1895 in Cambridge aan om aan radiogolven te gaan werken. Althans, dat was zijn bedoeling, maar Röntgen had net de röntgenstraling ontdekt en Becquerel zou al gauw volgen met zijn ontdekking van de radioactiviteit. J.J. Thomson, aan het hoofd van de groep en zelf op het punt het elektron te ontdekken, stelde voor dat Rutherford aan deze nieuwe vormen van straling zou gaan werken. Dit bleek een uitgemaakte zaak toen Lord Kelvin, in die tijd de belangrijkste wetenschapper, de beroemd geworden opmerking maakte dat er ‘geen toekomst in radio’ zat.

Rutherford ging dus aan de slag om het interne doolhof van het atoom uit te pluizen, het aan Marconi overlatend dat Lord Kelvin het mis had. Zou Rutherford Marconi’s plaats hebben ingenomen wat de geschiedenis van de radio betreft, dan zouden anderen waarschijnlijk hun naam hebben verbonden aan de reeks ontdekkingen over de aard van de radioactiviteit, de atoomkern, de transmutatie van de elementen en de krachten binnen in het atoom, die alle met Rutherford zijn geassocieerd. Zijn eerste bijdrage aan deze nieuwe wetenschap was het aantonen dat radioactiviteit meer verrassingen in petto had dan wie dan ook had kunnen denken. Deze kwamen om te beginnen in drie verschillende vormen.

1 Ik wil hier even Oliver Lodge noemen. Hij produceerde en detecteerde elektromagnetische golven in 1888, voor Hertz dit deed, maar in plaats van zijn resultaten te publiceren, ging hij met vakantie. Hertz publiceerde als eerste en zijn naam is er voor altijd aan verbonden. Tijdens een bijeenkomst in Oxford van de British Association in 1894 demonstreerde Lodge signaaloverdracht (niet veel meer dan morsecode) over een afstand van 50 meter. Hij gaf later toe dat hij geen nuttige toepassing van het verschijnsel had kunnen bedenken en miste dus de kans op de realisatie van draadloze communicatie.

13

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 14

EEN WANHOPIGE OPLOSSING

Een dun velletje papier is voldoende om sommige straling onmiddellijk tegen te houden. Ik zeg ‘sommige’, omdat er een meer doordringende vorm van straling was die slechts langzaam afnam. Rutherford heeft deze vormen met verbazingwekkende eenvoud aangetoond, waarbij hij het uranium afdekte met lagen dunne aluminiumfolie. Voor de eerste drie lagen vond hij dat de stralingssterkte geleidelijk afnam: hoe dikker de laag aluminium, des te minder de straling er doorheen drong. Maar toen hij meer lagen toevoegde, leek de straling zijn intensiteit te behouden, om slechts langzaam af te nemen nadat er nog meer vellen waren toegevoegd. Hij realiseerde zich dat er ‘minstens twee verschillende soorten straling’ moesten zijn, ‘één die snel wordt geabsorbeerd en die we voor het gemak alfastraling zullen noemen, en een soort die een meer doordringend karakter heeft en die we de naam bètastraling geven’. Later ontdekte hij een derde soort, die hij uiteraard ‘gamma’ noemde.

Tegenwoordig weten we dat deze vormen van straling door drie afzonderlijke krachten worden veroorzaakt. Dit zijn de sterke, de zwakke en de elektromagnetische kracht. Samen met de zwaartekracht vormen ze de vier fundamentele natuurkrachten, waaruit atomen en materie worden opgebouwd en die de werking van het universum besturen. Het is opmerkelijk dat Rutherford deze al bij zijn eerste experimenten met atomen onderscheidde.

Het geven van namen impliceert begrip, maar het is niet meer dan classificatie.

Desondanks is het een belangrijke eerste stap die vragen oproept over de oorzaken van de verschillende kenmerken die met de verschillende namen zijn geassocieerd.

De verschillen werden uiteindelijk letterlijk zichtbaar toen Charles Wilson een radioactieve bron in een zogenaamde nevelkamer plaatste. In de oververzadigde damp van de kamer laten elektrisch geladen deeltjes kortstondig optredende dampsporen achter die Wilson omschreef als ‘kleine wolkensliertjes en -draadjes’. De alfastralen lieten dikke sporen achter. De bètastralen waren langer en dunner, terwijl de gammastralen geen sporen achterlieten maar zichzelf verrieden wanneer ze tegen de elektronen in atomen botsten en deze vervolgens in beweging zetten. Magnetische velden waren in staat de banen af te buigen, wat aantoonde dat de alfa- en bètastraling uit positief, respectievelijk negatief geladen deeltjes bestaat. De afwezigheid van sporen bij gammastralen komt doordat ze geen elektrische lading hebben. Rutherford riep uit dat ‘we eindelijk een telescoop hebben waarmee we in het inwendige van het atoom kunnen kijken’.

De alfadeeltjes bleken relatief zwaar te zijn en we weten nu dat ze gedeelten van atoomkernen zijn. Ze bestaan uit twee protonen en twee neutronen die worden uitgestraald wanneer de sterke krachten die de atoomkern bijeenhouden, worden verstoord. Wanneer dit gebeurt, kan de grote kern van een zwaar element spontaan worden omgezet in een kleinere en iets lichtere kern onder uitzending van het alfadeeltje. Alfadeeltjes zijn positief geladen en daardoor trekken ze twee negatief 14

NEUTRINO.OPMAAK

15-02-2012

10:06

Pagina 15

EEN WANHOPIGE OPLOSSING

Afbeelding 1.

Sporen in een nevelkamer. © N. Feather/Science Photo Library

geladen elektronen aan om zo een heliumatoom te vormen. Tegenwoordig weten we dat het heliumgas dat in sommige gesteenten op aarde wordt gevonden, het resultaat van dergelijke transmutaties in de kern is.

Rutherford werd later beroemd vanwege zijn ontdekking van de atoomkern, waarbij hij alfadeeltjes had gebruikt om het atoom mee te sonderen.b Bètastraling bestaat uit elektronen, niet degene die reeds in het atoom aanwezig waren, maar die zijn ontstaan2 uit de energie die vrijkomt bij de transmutatie van de kern: alchemie. Gammastralen zijn elektromagnetische deeltjes, net als licht, maar ver voorbij de kleuren van de regenboog en dus met een veel kortere golflengte dan zichtbaar licht. Er waren nu drie stralingsvormen ontdekt, maar niemand had verwacht dat de bètastraling ook de pret kon bederven.

Speciale relativiteit In de zeventiende eeuw had Newton zich het belang van energie gerealiseerd. Duw ergens tegenaan en, als er geen wrijving is, wordt het in beweging gezet. Blijf duwen en het gaat sneller bewegen. Newton definieerde bewegingsenergie, de kinetische energie, als evenredig met de hoeveelheid kracht waarmee je duwt en met de afstand waarover je het voorwerp blijft voortduwen. Hij was zich er ook van bewust dat energie verschillende vormen kon hebben. Een voorwerp bovenop een klif bezit potentiële energie, de potentiële energie om kinetische energie te winnen als het over de rand valt. Potentiële energie is evenredig met de hoogte boven grondniveau: hoe hoger je bent, hoe meer potentiële energie je hebt. Als je naar beneden valt, word je door de zwaartekracht versneld. Je kinetische energie neemt toe in dezelfde mate waarmee je potentiële energie afneemt – de som ervan blijft gelijk. Dit is een voorbeeld van behoud van energie en van de omzetting van de ene vorm van energie in de andere, in dit geval van potentiële in kinetische energie.

2 Dmitri Iwanenko was de eerste die opperde dat elektronen tijdens bètaverval ontstaan, net zoals fotonen tijdens atomaire overgangen, en dus niet ‘vooraf ’ in een atoom aanwezig zijn.

15