Er is een type aanhanger van het gnu atheïsme en/of sciëntisme die de definitie van wetenschap en ook de geschiedenis van de wetenschap zeer zwart-wit benadert. Voor deze mensen, en daar zijn er verrassend veel van, zijn theorieën ofwel juist, en dus wetenschappelijk, en helpen ze de vooruitgang van de wetenschap, ofwel onjuist, en dus niet wetenschappelijk, en belemmeren ze die vooruitgang. Vanuit het standpunt van de historicus is deze houding of dit standpunt er natuurlijk een die alleen maar met ongeloof kan worden bekeken, aangezien onze atheïstische voorstander van het sciëntisme het geocentrisme, de flogon-theorie en het Lamarckisme afdoet als vals en dus in de vuilnisbak van de geschiedenis moet worden gedumpt, terwijl hij Copernicus, Lavoisier en Darwin aanprijst als goden van de wetenschap die ons uit het dal van onwetendheid naar de zonneschijn van het rationele denken hebben geleid.
Ik heb deze situatie al vaker aan de orde gesteld, maar als wetenschapshistoricus denk ik dat het een les is die met enige regelmaat herhaald moet worden. Omdat het de “National Chemistry Week 2015” van de American Chemical Society is, zal ik de flogistontheorie opnieuw onder de loep nemen, waarvan de schepper Georg Ernst Stahl op 22 oktober 1659 in Ansbach werd geboren, dat in Midden-Franken ligt, net op de weg van waar ik woon.
Georg Ernst Stahl (1660-1734) Bron: Wikimedia Commons
Stahl had een vrij conventionele carrière. Hij studeerde van 1679 tot 1684 geneeskunde aan de universiteit van Jena. In 1687 werd hij hofarts van de hertog van Sachen-Weimar en in 1694 werd hij benoemd tot professor in de geneeskunde aan de pas opgerichte universiteit van Halle, waar hij bleef tot 1715, toen hij lijfarts werd van Friedrich Wilhelm I, koning van Pruisen. Stahl was, zoals de meeste scheikundigen in de Vroegmoderne Tijd, een beroepsarts, waarbij scheikunde alleen bestond binnen de academische context als sub-discipline van de geneeskunde.
Om de flogistontheorie te begrijpen moeten we teruggaan en de ontwikkeling van de theorie van de materie sinds de oude Grieken kort bekijken. Empedocles introduceerde de beroemde vier-elementen theorie, Aarde, Water, Lucht en Vuur, in de vijfde eeuw v. Chr. en dit bleef de basistheorie in Europa tot de vroegmoderne periode. In de negende eeuw voegde Abu Mūsā Jābir ibn Hayyān zwavel en kwik toe aan de vier elementen als principes, in plaats van substanties, om de eigenschappen van de zeven metalen te verklaren. In de zestiende eeuw CE nam Paracelsus al- Jābir’s Zwavel en Kwik over en voegde Zout toe als zijn tria prima om de eigenschappen van alle materie te verklaren. In de zeventiende eeuw, toen de invloed van Paracelsus op zijn hoogtepunt was, namen veel alchemisten/scheikundigen een vijf-elementen-theorie aan – Aarde, Water, Zwavel, Kwik en Zout – waarbij lucht en vuur kwamen te vervallen. Robert Boyle gooide in zijn The Sceptical Chymist (1661) zowel de Griekse vier-elementen-theorie als Paracelsus’ tria prima overboord, op zoek naar een moderner concept van het element. We komen nu bij de oorsprong van de phlogiston theorie.
De Duitser Johann Joachim Becher (1635-1682), een arts en alchemist, was een grote fan van Boyle en zijn theorieën en reisde zelfs naar Londen om aan de voeten van de meester te leren.
Johann Joachim Becher (1635-1682) Bron: Wikimedia Commons
Net als Boyle verwierp hij zowel de Griekse vier-elementen-theorie als Paracelsus’ tria prima, en verving deze in zijn Physica Subterranea (1667) door een twee-elementen-theorie Aarde en Water, waarbij Lucht slechts aanwezig was als mengstof voor de twee. Maar in feite herintroduceerde hij Paracelsus’ tria prima in de vorm van drie verschillende soorten Aarde.
- terra fluida of kwikhoudende Aarde die materiaal de kenmerken geeft, vloeibaarheid, fijnheid, vluchtigheid, metaalachtig uiterlijk
- terra pinguis of vettige Aarde die materiaal de kenmerken olieachtig, zwavelhoudend en brandbaar
- terra lapidea glasachtige aarde, die materiaal de eigenschappen smeltbaarheid geeft
Stahl nam Bechers schema van elementen over en concentreerde zich op zijn terra pinguis, maakte het tot zijn centrale substantie en hernoemde het phlogiston. In zijn theorie bevatten alle stoffen, die brandbaar zijn, phlogiston, dat wordt afgegeven wanneer zij branden, waarbij de verbranding ophoudt wanneer het phlogiston is uitgeput. De klassieke demonstratie hiervan was de verbranding van kwik, dat verandert in as, in Stahl’s terminologie (kwikoxide in de onze). Als deze as opnieuw wordt verhit met houtskool wordt het flogiston hersteld (volgens Stahl) en daarmee ook het kwik. (Volgens ons verwijdert de houtskool de zuurstof, waardoor het kwik wordt hersteld). In een ingewikkelde reeks experimenten veranderde Stahl zwavelzuur in zwavel en weer terug, waarbij hij de veranderingen opnieuw verklaarde door de verwijdering en terugkeer van flogiston. Door uitbreiding was Stahl, een uitstekend experimenteel scheikundige, in staat te verklaren wat wij nu kennen als de redoxreacties en de zuur-base reacties, met zijn op experimenten en empirische waarnemingen gebaseerde flogistontheorie. Stahl’s flogistontheorie was dus de eerste empirisch onderbouwde “wetenschappelijke” verklaring van een groot deel van de grondslagen van de scheikunde. Het is een klassiek voorbeeld van wat Thomas Kuhn een paradigma noemde en Imre Lakatos een wetenschappelijk onderzoeksprogramma.
Achteraf gezien is de phlogiston theorie glorieus, wonderbaarlijk en absoluut verkeerd in al haar aspecten, hetgeen leidt tot de minachting waarmee zij wordt bekeken door onze gnu atheïstische voorstander van het sciëntisme, maar zij hebben ongelijk om dat te doen. Ik geef de voorkeur aan het wetenschappelijk onderzoeksprogramma van Lakatos boven het paradigma van Kuhn, precies omdat het het succes van de phlogiston-theorie veel beter beschrijft. Voor Lakatos is het irrelevant of een theorie juist of onjuist is, wat telt zijn de heuristieken. Een wetenschappelijk onderzoeksprogramma dat nieuwe feiten en verschijnselen oplevert die passen binnen de beschrijvende reikwijdte van het programma heeft een positieve heuristiek. Een programma dat nieuwe feiten en verschijnselen voortbrengt die niet passen, heeft een negatieve heuristiek. Wetenschappelijke onderzoeksprogramma’s hebben in de loop van hun bestaan zowel positieve als negatieve heuristieken; zolang de positieve heuristiek zwaarder weegt dan de negatieve, blijft het programma aanvaard. Dit was precies het geval met de phlogiston theorie.
De meeste Europese scheikundigen uit de achttiende eeuw aanvaardden en werkten binnen het kader van de phlogiston theorie en produceerden een grote hoeveelheid nieuwe belangrijke chemische kennis. Het meest opmerkelijk in deze zin zijn de, meestal Britse, zogenaamde pneumatische chemici. Binnen de flogon-theorie isoleerde en identificeerde Joseph Black (1728-1799), professor in de geneeskunde te Edinburgh, kooldioxide, terwijl zijn doctoraal student Daniel Rutherford (1749-1819) stikstof isoleerde en identificeerde. De Zweed Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) produceerde, identificeerde en bestudeerde zuurstof, waarvoor hij niet de eer krijgt, want hoewel hij de eerste was, vertraagde hij met het publiceren van zijn resultaten en werd hij verslagen door Joseph Priestley (1733-1804), die onafhankelijk van elkaar ook zuurstof had ontdekt en het ten onrechte het etiket dephlogisticated air had gegeven. Priestley, veruit de grootste van de pneumatische scheikundigen, isoleerde en identificeerde tenminste acht andere gassen en legde de grondslag voor de ontdekking van de fotosynthese, misschien wel zijn grootste prestatie.
Henry Cavendish (1731-1810) isoleerde en identificeerde waterstof, waarvan hij enige tijd dacht dat het eigenlijk flogon was, voordat hij verder ging met de belangrijkste ontdekking in het kader van de flogon-theorie, de structuur van water. Door een reeks zorgvuldige experimenten kon Cavendish aantonen dat water geen element was, maar een verbinding bestaande uit twee maten phlogiston (waterstof) met één maat dephlogiston lucht (zuurstof). Met dezelfde precisie toonde hij ook aan dat normale lucht bestaat uit vier delen stikstof op één deel zuurstof of beter gezegd niet helemaal. Hij vond voortdurend iets dat hij niet kon identificeren, aanwezig in één honderd twintigste van het volume van stikstof. In de negentiende eeuw zou dit uiteindelijk geïdentificeerd worden als het gas argon.
Al deze ontdekkingen moeten gerekend worden tot de positieve heuristiek van de phlogiston theorie. Wat zwaar woog aan de negatieve kant is het feit dat naarmate de nauwkeurigheid van metingen in de achttiende eeuw toenam, men ontdekte dat de as, van bijvoorbeeld kwik, die bij verbranding achterbleef zwaarder was dan de oorspronkelijke stof die verbrand werd. Dit was verontrustend omdat verbranding verondersteld werd het vrijkomen van flogiston te zijn. Sommige aanhangers van de theorie stelden zelfs negatieve flogiston voor om deze anomalie te verklaren. Deze suggestie, die nooit aansloeg, wordt vandaag bijzonder bespot, iets wat ik enigszins vreemd vind in een tijdperk dat anti-materie heeft moeten aanvaarden en nu gevraagd wordt om donkere materie en donkere energie te aanvaarden om bekende anomalieën in de huidige theorieën te verklaren.
Ooit waren het de ontdekkingen van zuurstof en de samenstelling van water die Lavoisier de noodzakelijke bouwstenen gaven om de flogistontheorie te ontmantelen en zijn eigen concurrerende theorie op te bouwen, die uiteindelijk succesvol zou blijken en de flogistontheorie naar de schroothoop van de geschiedenis van de scheikunde zou verwijzen. Men mag echter nooit vergeten dat het juist deze theorie was die hem de instrumenten verschafte die hij nodig had om dit te doen. Zoals ik in mijn subtitel schreef, kan zelfs een theorie die wonderbaarlijk verkeerd is, fantastisch vruchtbaar zijn en moet ze met respect worden behandeld wanneer men ze achteraf bekijkt.