William Gilbert – Een zestiende-eeuws onderzoeker van het magnetisme.
1 februari 2010Het werk van de Engelse natuurkundige William Gilbert, De magnete, uit 1600, was een mijlpaal in het wetenschappelijk onderzoek van het magnetisme, en zelfs in het experimenteel-natuurwetenschappelijk onderzoek in het algemeen. Dit ondanks het feit dat Gilbert met dit werk een natuurkunde wilde verdedigen, die allesbehalve modern aandoet.
Herdenkingsjaren zijn soms een beetje hachelijk. Zo heeft men in Engeland besloten om dit jaar de grote natuurkundige William Gilbert te herdenken, er van uitgaande dat hij in 1543, dus 450 jaar geleden, geboren is. In feite is zijn geboortedatum niet nauwkeurig bekend. De bronnen spreken elkaar zelfs tegen. Er is veel discussie over geweest en 1543 geldt tegenwoordig als het meest waarschijnlijke jaar, maar discussie blijft mogelijk. Maar goed, als men vindt dat de geboorte van Gilbert het herdenken waard is, zal men toch een of andere datum moeten uitkiezen. En het werk van Gilbert is zeker de moeite waard om eens bij stil te staan.
Behalve zijn geboortedatum is er nog wel meer onzeker over het leven van William Gilbert. Het staat vast dat hij in het Engelse Colchester werd geboren als telg van een van de voorname families van de stad. Hij studeerde medicijnen en werd later arts in zijn geboortestad. Hij overleed in 1603. Erg veel meer is er over hem echter niet bekend, behalve dat hij zich, zoals in die tijd wel meer voorkwam onder artsen, toelegde op allerlei geleerde studiën. Beroemd is hij geworden door een enkel boek: Nieuwe natuurkunde van de magneet, de magnetische lichamen, en de grote magneet de aarde, aangetoond met verschillende argumenten zowel als proefnemingen. Het verscheen in 1600.
Magneten en kompassen
Dit boek, meestal De magnete genoemd naar het begin van de oorspronkelijke, Latijnse titel, is een baanbrekende studie van het magnetisme. Het verschijnsel van het magnetisme was al in de oudheid bekend. De raadselachtige aantrekkende en afstotende krachten hadden altijd sterk tot de verbeelding gesproken. Vooral toen men ontdekte dat men met behulp van magneten kompassen kon maken om daarmee zijn weg op zee te vinden, kwam het magnetisme in het centrum van de aandacht te staan. In de tijd van de grote ontdekkingsreizen gold het kompas, met buskruit en boekdrukkunst, als het voornaamste bewijs van de vooruitgang van wetenschap en techniek sinds de oudheid. Het was dus wel een beetje pijnlijk dat men er eigenlijk geen flauw benul van had hoe het werkte.
Al in de Middeleeuwen hadden verschillende schrijvers zich over het probleem gebogen. Bekend is de “Brief over de magneet” van een zekere Petrus Peregrinus, uit 1269. In de zestiende eeuw waren het vooral zeevaartkundigen die zich met het verschijnsel bezighielden, zoals de Engelsman Robert Norman met zijn The newe attractive.
Dankzij deze auteurs waren de beginselen van het verschijnsel redelijk bekend. Peregrinus had al vastgesteld dat een magneet een noord- en een zuidpool had. Hij had proeven gedaan met magneten die hij vrij in een bak met water had laten drijven, en vastgesteld dat hun polen altijd eenzelfde stand aannamen ten opzichte van de aarde, niet alleen in het horizontale, maar ook in het verticale vlak.
Vooral dit laatste verschijnsel, de manier waarop een kompasnaald zich richt in wat wij nu kennen als het aardmagnetisch veld, had de aandacht voor de auteurs. Waarschijnlijk ook omdat men erkende dat dit effect voor de zeevaart van direkt nut was. Men had al vroeg gemerkt dat een magneet zich niet precies naar het geografische noorden richt, maar daarvan iets afwijkt; en dat deze afwijking voor verschillende punten op aarde verschillend is. Voor het maken en gebruiken van kompassen was kennis van deze afwijkingen natuurlijk van groot belang. Vandaar dat ettelijke geleerden en zeevaarders zich hier het hoofd over braken.
Belangrijke ontdekkingen
Het werk van Gilbert was grotendeels een voortzetting van het werk van zijn voorgangers. Zo vinden we gedeeltelijk dezelfde proefnemingen weer terug. Ook Gilbert liet zijn magneten drijven in een bak met water om de stand van de polen te onderzoeken. Toch is er een wereld van verschil. Zijn voorgangers waren toch grotendeels wetenschappelijke amateurs geweest. Gilbert pakte de zaak systematisch aan en ging rigoureus-wetenschappelijk te werk. Zodoende kwam hij tot een beschrijving van het magnetisme die vrijwel modern is. Afgezien van het wiskundig formalisme viel aan zijn beschrijving van de magnetische verschijnselen weinig meer te verbeteren.
Voor zijn tijd had er bijvoorbeeld veel verwarring bestaan over de verschillende aantrekkende krachten in de natuur. Behalve de aantrekkende kracht van de magneet kende men ook de aantrekkende kracht van gewreven stukjes barnsteen. Veelal was men geneigd al dit soort krachten maar op een hoop te gooien. Gilbert was in staat om, na nauwkeurig onderzoek, te laten zien dat er een fundamenteel onderscheid is tussen de magnetische krachten en de “barnsteenkrachten” – wat wij tegenwoordig elektriciteit noemen. (Het Griekse èlektron betekent barnsteen.) Daarmee had hij deze puzzel voor eens en voor al opgelost.
Gilbert beschreef ook wat er gebeurt als je een magneet in stukken breekt: in plaats van dat je dan een losse noordpool en een losse zuidpool overhoudt, hebben alle stukjes hun eigen noord- en zuidpool. Heel uitvoerig bestudeerde hij ook de vraag in hoeverre een stuk ijzer of staal onder de invloed van een magneet zelf ook magnetisch wordt.
Het oude probleem van de richting van de kompasnaald werd door hem overigens niet vergeten. Gilbert had hier een originele theorie: de aarde was volgens hem zelf ook een magneet. Vandaar dat andere, kleinere magneten zich naar de aarde richtten om zich met haar te verenigen. Gilbert was daarmee de ontdekker van het aardmagnetisme, zoals we dat nog steeds aannemen. Eerdere schrijvers, als Peregrinus, hadden gemeend dat de magnetische kracht die op het kompas werkte uitging van de hemel.
Dit idee werd door Gilbert met proeven toegelicht. Hij werkte namelijk met bolvormige magneten, die hij de naam “terella”, een verkleinwoord van “terra”, aarde, gaf. Zulke magneten moesten in het klein hetzelfde uitwerken als de aarde in het groot. Door met behulp van kleine kompasnaalden een “terella” te onderzoeken, moest men dus de manier vinden waarop het kompas zich op verschillende plaatsen op aarde gedroeg. Dit bleek inderdaad vrij goed te kloppen.
Overblijvende onregelmatigheden schreef Gilbert toe aan de ongelijke verdeling van de materie op aarde, in de vorm van bergen en zeebekkens. Zijn theorie bracht hem overigens tot nog een bevinding. Van oudsher had men de punt van het kompas die naar het noorden wees de noordpool genoemd, en de andere de zuidpool. Gilbert was de eerste die inzag, dat de punt die zich naar het noorden richtte in feite de magnetische zuidpool was. Deze ontdekking kon het gevestigde spraakgebruik echter niet meer veranden.
“Vader” van de experimentele natuurkunde?
Gilbert geldt als een van de grote geleerden van de Renaissance, een van degenen die, samen met mensen als Copernicus, Kepler en Galilei, de wetenschappelijke revolutie inluidden. Die roem heeft hij niet alleen te danken aan de lijst van zijn ontdekkingen, maar vooral ook aan de methode waarmee hij die ontdekkingen deed. In een tijd dat voor de meeste mensen de waarheid verborgen lag in de geschriften van de ouden, stelde Gilbert zich tot doel om door middel van experimenten zelf de natuur te onderzoeken. Op die manier hoopte hij waarheden te vinden die nog aan geen mens voor hem bekend geweest waren.
Daarbij spaarde hij kosten noch moeite. Magneten waren in die tijd zeldzame en kostbare rariteiten, maar Gilbert schafte zich voor zijn proefnemingen de beste en mooiste exemplaren aan die hij vinden kon. Gilbert gebruikte zijn methode bovendien niet alleen om zelf nieuwe ontdekkingen te doen, maar ook om anderen van de juistheid van zijn inzichten te overtuigen. Niet voor niets schreef hij al in de titel dat zijn “nieuwe natuurkunde” niet alleen op argumenten, maar ook op proeven was gebaseerd. De proefnemingen kregen in zijn betoog zelfs extra nadruk. Op deze manier liet hij zien wat je met zo’n experimentele methode kon doen, en maakte aldus krachtige propaganda voor de nieuwe wetenschap.
Zulk een experimentele methode was een van de grondslagen van de wetenschappelijke revolutie, en is nog steeds een hoeksteen van de huidige wetenschapsbeoefening. Natuurlijk was Gilbert niet de allereerste die proeven deed, en hij heeft de experimentele methode niet in zijn eentje uitgevonden. Maar zijn boek is wel een van de vroegste voorbeelden van een werk dat grotendeels op experimenten is gebaseerd.
Gilbert geldt dan ook wel als een soort “vader” van de experimentele natuurkunde. Geheel onterecht is dat niet, zoals we zagen. Maar om hem als een experimenteel natuurkundige op te vatten die toevallig in de zestiende eeuw verdwaald is, is toch ook niet geheel juist. Gilbert was een renaissancegeleerde en als zodanig een kind van zijn tijd. Als natuurkundige staat hij, ondanks zijn moderne trekken, mijlenver af van de tegenwoordige beoefenaars van dat vak.
Magnetisme en wereldziel
Wat beoogde Gilbert eigenlijk met zijn werk? De titel spreekt van een “nieuwe natuurkunde”. Dat geeft de kern goed weer. In de middeleeuwen had men de natuurkundige theorieën van Aristoteles gevolgd. In de tijd van de Renaissance ontmoetten deze meer en meer kritiek. Gilbert, net als Galilei en talloze anderen, wilde de natuurkunde van Aristoteles omverwerpen en vervangen door iets nieuws.
Gilbert wilde niet zomaar losse feiten betreffende magneten verzamelen, ten dienste van de zeevaart of zomaar om zijn nieuwsgierigheid te bevredigen. Hij wilde uiteindelijk een geheel nieuwe natuurkunde ontwerpen. Zijn onderzoek naar magneten stond in dienst van dit grootse plan.
De natuur was volgens hem namelijk grotendeels op basis van magnetische krachten ingericht. Centraal daarbij stond zijn idee van de aarde als een grote magneet. Dat klinkt heel modern, als we denken aan onze eigen opvatting van het aardmagnetisch veld. Voor Gilbert betekende het echter nog heel wat meer. Het betekende dat de aarde bezield was, en dat het heelal werd bewogen door een kosmisch beginsel van liefde.
Gilbert sprak niet van magnetische aantrekking, maar van magnetisch samenkomen (coïre). Het was het streven naar eenheid van twee dingen die eigenlijk bij elkaar hoorden, maar gescheiden waren. Bij een magneet, die in stukken wordt gebroken, werken de krachten zo, dat ze de oorspronkelijke eenheid willen herstellen. Zo zijn magneten kleine stukken die van de aarde zijn losgebroken, en zich nu weer met de aarde willen verenigen. Daarop berust de werking van het kompas.
In feite is het magnetisme, aldus Gilbert, een verschijnsel dat de hele wereld doordringt. Het magnetisme was voor Gilbert het bewijs van een levende kracht in de natuur, die naar een oorspronkelijke eenheid streeft. En het feit dat de wereld een grote magneet is, bewijst voor hem het bestaan van een wereldziel. Het feit dat niet alle stukken steen magnetisch zijn is te wijten aan de processen van verval die aan het oppervlak van de aarde werkzaam zijn. Maar herstel blijkt vaak ook mogelijk, bijvoorbeeld als men een stuk ijzer magnetisch maakt. Ook zulke processen duiden er volgens Gilbert op dat de wereld een levend organisme is.
Al deze speculaties zijn nogal nogal zweverig, om niet te zeggen mystiek. Zij staan ver af van wat wij tegenwoordig onder een wetenschappelijke, laat staan een experimentele, aanpak verstaan. Toch was het deze mystiek gekleurde wereldvisie die de inspiratie vormde voor Gilbert baanbrekende experimenten. Met deze experimenten hoopte hij zijn ideeën over een wereldziel te bevestigen. Maar uiteindelijk zouden zij een heel ander soort wereldvisie helpen vestigen.
Vooruitgang
Dit leidt ons tot een wat paradoxale visie op de wetenschappelijke vooruitgang. Want dat er zoiets als vooruitgang was, en dat het werk van Gilbert daaraan in belangrijke mate heeft bijgedragen, valt niet te ontkennen. Maar het was een vooruitgang waarvan Gilbert nooit gedroomd zou kunnen hebben.
De wetenschap, leren ons wetenschapstheoretische handboeken, onderscheid zich van de meeste andere menselijke bezigheden doordat ze cumulatief is. Dat wil zeggen dat ze zich baseert op het werk van alle wetenschapsbeoefenaren voor haar. Een natuurwetenschapper begint niet eenvoudig steeds weer bij af, hij begint op het punt waar zijn voorgangers zijn opgehouden; en inzichten die hij zelf verwerft worden weer meegenomen door de wetenschappers na hem. Dit cumulatieve karakter maakt de wetenschappelijke vooruitgang mogelijk.
In het geval van Gilbert is dat overduidelijk. Hij heeft belangrijke ontdekkingen gedaan op het gebied van het magnetisme, een aantal onduidelijke zaken opgehelderd: daar hoefden de onderzoekers na hem zich niet meer mee bezig te houden. Zij konden Gilberts bevindingen gebruiken om hun eigen theorieën op te bouwen.
Maar met zijn ideeën over een nieuwe natuurkunde, over de aarde als een bezield systeem, stond dat anders. In de eerste vijftig jaar of zo kregen deze ideeën nog wel enig respons. Ze hadden zelfs wel enig belang, en wel in het kader van de strijd om het stelsel van Copernicus. Volgens de natuurkunde van Aristoteles was het onmogelijk dat de aarde bewoog en om de zon draaide. De aanhangers van Copernicus, die dit nu juist verdedigden, keken daarom uit naar een natuurkundig alternatief voor Aristoteles. De “magnetische filosofie” van Gilbert kon de aardbeweging wel verklaren, en werd daarom door sommigen gebruikt in hun verdediging van het nieuwe wereldstelsel. Gilberts ideeën speelden een belangrijke rol in de theorieën van Kepler. Zo kunnen ook schijnbaar onwetenschappelijke ideeën een rol spelen in de wetenschappelijke vooruitgang. (Overigens waren er ook geleerden die Gilberts ideeën gebruikten om de theorie van Copernidus aan te vallen.)
Op langere termijn echter waren Gilberts verreikende theorieën onvruchtbaar en raakten in het vergeetboek. Alleen zijn experimentele resultaten telden nog. Het is daarom enigszins misleidend om hem als vader van de experimentele natuurkunde, of als een held van de wetenschappelijke vooruitgang voor te stellen. Hij was dit misschien wel, maar onbewust en tegen wil en dank. Wetenschappelijke vooruitgang komt tot stand, niet alleen door voort te bouwen op het werk van voorgangers, maar ook door grote, en soms de meest essentiële, delen van hun werk te vergeten.
Rienk Vermij
Literatuur
De oorspronkelijke titel van Gilberts boek luidt De magnete, magnetisque corporibus, et de magno magnete tellure; physiologia nova, plurimis et argumentis, et experimentis demonstrata (Londen 1600). Een facsimileuitgave verscheen in 1892 in Berlijn. In 1893 verscheen bovendien een Engelse vertaling van het boek, van de hand van P. Fleury Mottelay, onder de title De magnete. Deze is sindsdien herhaaldelijk herdrukt, onder andere als Dover paperback (New York 1958).