... de rest zijn details Einstein Tentoonstellingsgids

Transcriptie

1

2

3 ... de rest zijn details Einstein Tentoonstellingsgids Een initiatief van het departement Natuurkunde en Sterrenkunde van de Katholieke Universiteit Leuven, naar aanleiding van het wereldjaar fysica Samengesteld door prof. dr. Christian Maes

4 Beste lezer, beste bezoeker, Het jaar 2005 is uitgeroepen tot het wereldjaar van de fysica. Dat is niet toevallig 100 jaar na het wonderjaar van Albert Einstein. In 1905 leidde Einstein de 19 de eeuwse fysica naar haar logische conclusies en opende hij daarmee de poort van de moderne fysica. Deze is tijdens de twintigste eeuw zichtbaar geworden in talrijke technologische ontwikkelingen. Ze heeft bovendien geleid tot totaal nieuwe inzichten in ons wereldbeeld. Einstein heeft daarin essentiële bijdragen geleverd. Ook nu nog zijn de uitdagingen van de hedendaagse fysica innig verbonden met de revoluties in de fysica van het begin van de vorige eeuw. Fysica is een natuurwetenschap die niet alleen de wiskunde en de andere natuurwetenschappen bevrucht en onderbouwt maar ook zonder schroom het gesprek onderhoudt met zowel de filosofie als de technologie. Inzichten en vragen uit de fysica zijn deel gaan uitmaken van de algemene cultuur. Veel van die kenmerken vind je terug in het leven en werk van Einstein. Uitgeroepen door Times Magazine als persoonlijkheid van de eeuw, herkenbaar voor iedereen en dikwijls uitgegroeid tot mythische proporties, heeft Einstein blijkbaar velen beroerd en is hij icoon geworden van het wetenschappelijk denken. Het uitgangspunt van de tentoonstelling is 1905, het wonderjaar van Einstein. De fysica van 1900 leek stevig gevestigd op de pijlers van de thermodynamica, het elektromagnetisme en de mechanica. Alleen enkele details moesten nog worden uitgewerkt. Het viel anders uit: de 26-jarige Albert Einstein publiceert in 1905 vier artikelen in de Annalen der Physik die de fundamenten van de fysica grondig hebben dooreengeschud. De thema s die hij behandelde - de atoomhypothese, de theorie van lichtdeeltjes en de speciale relativiteitstheorie - staan aan het begin van de moderne fysica. Na de Eerste Wereldoorlog wordt Einstein wereldberoemd en krijgt hij de reputatie één van de grootste denkers uit de geschiedenis te zijn. Einstein gaat regelrecht naar de kern van de fysica,... de rest zijn details. Hij wordt een cultfiguur, een wetenschapsicoon en autoriteit - details die Einstein met tegenzin lijkt te ondergaan maar die treffend illustreren hoe het beeld van de moderne wetenschap gestalte krijgt bij het ruimere publiek. De geschiedenis van Einstein is ook een kleine geschiedenis van de voorbije eeuw. De historische receptie van Einsteins theorieën wordt getekend door de politieke en ideologische spanningen van de twintigste eeuw. Bijzonder interessant daarin is de verhouding van Einstein met België. Zijn vriendschap met koningin Elisabeth en zijn verblijf in De Haan tijdens het cruciale jaar 1933 zijn onlosmakelijk verbonden met de wellicht belangrijkste keerpunten uit zijn leven.

5 Met deze tentoonstellingsgids kan je de tentoonstelling nog even meenemen naar huis of naar school. Hier volgen geen uitgebreide traktaten maar enige bijkomende achtergrond bij de vele beelden uit de tentoonstelling. Nog meer materiaal vind je op de webpagina: Voor een kalender van activiteiten in het fysicajaar 2005 en voor links met andere nationale en internationale initiatieven kan je terecht op: Ten slotte wil ik een dankbare groet richten naar de vele collega s en medewerkers die deze tentoonstelling hebben gemaakt. Ik dank de studenten Culturele Studies en de studenten Theoretische Fysica die hieraan hebben meegewerkt, in het bijzonder Tim Jacobs. Ik dank mijn collega s Profs. J. Baetens, F. Cerulus, R. Dekeyser, R. Gastmans, F. Truyen en G. Vanpaemel. Belangrijke steun is ook verleend door de Groep Exacte Wetenschappen, het departement Natuurkunde en Sterrenkunde, door Ludo Holans en medewerkers van de Campusbibliotheek Arenberg, de centrale bibliotheek, de technische dienst, het instituut voor culturele studies en de cultuurcommissie van de K.U.Leuven. Tenslotte hebben we kunnen rekenen op een zeer vriendelijke samenwerking met de gemeente De Haan. Heverlee, 2 maart 2005 Christian Maes coördinator fysica 2005 K.U.Leuven

6

7 Inhoudsopgave 1... de rest zijn details 7 2 De fysica rond Mechanica Thermodynamica Elektromagnetisme Het wonderjaar Publicatie over de fotonenhypothese Publicatie over de Brownse beweging Publicatie over de speciale relativiteitstheorie Publicatie over E=mc De fysica na De erfenis Statistische mechanica Kwantummechanica Relativiteitstheorie Uitdagingen Historische receptie Tijdgenoten van Einstein De nieuwe Copernicus? Roem: pro en contra Kosmologie Kwantumwereld? De grijze, wijze man Albert Einstein en zijn relatie met België 33 7 Einstein in kunst en als icoon Kunst en wetenschap Einstein en kunst Einstein in kunst Icoon van het intellect

8 8 Biografische gegevens van Einstein 43

9 Hoofdstuk 1... de rest zijn details I want to know God s thoughts, the rest are details. Deze beroemde uitspraak van Einstein heeft hij zelf niet opgeschreven. Esther Salaman, tijdens de jaren twintig natuurkunde-studente in Berlijn, publiceerde na Einsteins dood enkele herinneringen aan de grote fysicus met de titel A Talk With Einstein [The Listener, 1955, 54: ]. Einstein had over zichzelf gezegd: I m not much with people and I m not a family man. I want my peace. I want to know how God created this world. I am not interested in this or that phenomenon, in the spectrum of this or that element. I want to know His thoughts, the rest are details. De rest zijn details. Het citaat was de inspiratie voor de tentoonstelling omdat de woorden de eigen gedrevenheid van Einstein, maar ook de aard en het belang van zijn revolutionair werk heel goed weergeven. Heel wat fysici vonden rond 1900 dat de nog niet opgeloste problemen in de fysica niet meer waren dan details. De grondvesten waren gelegd; de rest was rekenen en toepassen, zo leek het. Velen hadden het gevoel dat het einde van de fysica in zicht was. Zo schreef de Duits-Amerikaanse fysicus Albert Michelson in 1894: Het lijkt waarschijnlijk dat de meeste unificerende principes stevig gevestigd zijn en dat verdere vooruitgang voornamelijk moet gezocht worden in de rigoureuze toepassing van deze principes op alle fenomenen die nog onder ogen komen. De grote theorieën waren gevormd, alle fundamenten waren gelegd en de rest waren details. Die details waren echter wel de onderwerpen van de publicaties uit Details met grote gevolgen... Op de tweede plaats verwijzen de details naar de bijzondere aard van de wetenschappelijke thema s in Einsteins werk. Einstein had de reputatie om de problemen

10 door te denken en tot de kern der dingen door te dringen. Hij was in die zin een fundamentalist, de rest waren details. Reeds in de publicaties van 1905 gaat het over niets minder dan de diepste fundamenten van de fysica. De revoluties in het denken over materie, energie, ruimte en tijd in de twintigste eeuw gaan direct terug op die werken van Einstein. Uit het citaat zou men ook kunnen afleiden dat Einstein eerder neerbuigend zou kijken naar praktische ontdekkingen of experimentele resultaten. Dat was echter niet het geval. Einstein had de reputatie om over alle problemen en probleempjes van de fysica te willen en te kunnen meepraten. Toepassingen van de fysica bekoorden hem van in zijn jeugd en hij heeft zijn tijd in het patentbureau in Bern, waar hij technische uitvindingen moest beoordelen, nooit beklaagd. Ooit heeft hij samen met Leo Szilard, de ontdekker van de nucleaire kettingreactie, gewerkt aan de ontwikkeling van een stille koelkast. Hij was ook, in tegenstelling tot bepaalde overleveringen, zeer geïnteresseerd in experimenten en hij ging soms zelf naar de experimentatoren toe. In zijn publicaties richt hij zich dikwijls bijna rechtstreeks tot hen. Met enig gevoel voor dramatiek klinkt het bijvoorbeeld op het einde van de publicatie over de atoomhypothese en de Brownse beweging: Moge het een onderzoeker weldra lukken om de vraag te beslissen die hier opgeworpen is, en die belangrijk is voor de warmtetheorie. En inderdaad, later zou Jean Perrin de overtuigende experimenten uitvoeren. Ook bij het zoeken naar experimentele bevestiging van de algemene relativiteitstheorie deed hij grote inspanningen om initiatieven dienaangaande te lanceren. Toch bleef Einstein in de eerste plaats geboeid door de grote vragen. Hij lijkt het meest uitgedaagd door de grootste vragen en vond telkens de fun in het fundamentele. Het is ook opvallend hoe de laatste publicatie uit 1905 bijna wordt voorgesteld als een addendum. Dat is de publicatie over de equivalentie van massa en energie, amper drie bladzijden en in 1905 lijkt het een terzijde. Het detail E = mc 2 zal echter de meest bekende formule van Einstein en misschien van de hele fysica worden en het zal vanaf 1945 de meest explosieve gevolgen hebben. Ten slotte benadrukte Einstein graag dat zijn publieke bekendheid slechts een detail was tegenover zijn wetenschappelijke werk. Einstein werd vanaf de jaren 1920 overal ontvangen als een wereldster. Hij haalde voorpagina s van kranten en in interviews werd zijn mening gevraagd over de meest uiteenlopende onderwerpen. Einstein werd een icoon en een autoriteit. Hij omschreef het als een ironische speling van het lot dat hij die sinds zijn prille jeugd alle autoriteit had verworpen voor velen zelf een autoriteit was geworden. Einstein verwonderde zich er vaak over hoeveel mensen in hem geïnteresseerd wa-

11 ren. De interesse in zijn wetenschappelijk werk leek daardoor zelfs op de achtergrond te verdwijnen. Bij een ontmoeting met Charlie Chaplin zou Einstein gezegd hebben: De mensen houden van ons. Van jou omdat ze je verstaan, van mij omdat ze mij niet verstaan. Hij werd een wereldster zonder er om te vragen. Einstein begreep niet waarom de mensen zo geïnteresseerd waren in zijn persoon, zijn privé-leven en zijn opvattingen. Dat zijn details. Details die de mensen soms meer leken te boeien dan de wetenschap zelf.

12

13 Hoofdstuk 2 De fysica rond 1900 De klassieke fysica kan in grote lijnen worden opgedeeld in drie domeinen, de mechanica, het elektromagnetisme en de thermodynamica. Elk van deze domeinen wordt beheerst door eigen fundamentele wetten. De meeste fysici geloofden rond 1900 in de mogelijkheid om deze domeinen te verenigen in één eengemaakte theorie. Velen dachten zelfs dat dit de finale theorie zou worden en waarin mechanistische concepten verlaten gingen worden. 2.1 Mechanica Rondom ons zien we dingen veranderen. Alle natuurverschijnselen worden beheerst door wetten. Elke verandering in de natuur kan worden bestudeerd als een relatie tussen oorzaak en gevolg. In de mechanica gaat het allereerst om de meest eenvoudige verandering in de tijd: deze van plaats of positie. Welke wetten liggen aan de grondslag van de beweging? Bewegen alle voorwerpen volgens dezelfde wetten. Isaac Newton ontdekte dat de bovenmaanse bewegingen (van hemellichamen) aan dezelfde natuurwetten voldoen als de ondermaanse. Bij het vallen van een appel besefte hij opeens dat de beweging van de vallende appel en van de maan of de planeten allen beschreven moeten worden door dezelfde mechanica. Dat inzicht betekende een belangrijke eerste unificatie in het natuurwetenschappelijk denken. Het gaat hand in hand met het programma van het reductionisme waarin een grote verscheidenheid van natuurfenomenen worden herleid tot en als het ware convergeren naar een steeds kleinere familie van meer elementaire en unieke fysische principes en wetten. Het vervulde Einstein met ontzag: Welk een diepe overtuiging van de rationaliteit van het universum en welk een drang om te begrijpen [,..]. moeten Kepler en Newton niet gevoeld hebben om vele jaren van eenzame arbeid te besteden aan het ontrafelen van de principes van de hemel-

14 mechanica. Dat geloof in de wetmatigheid en de coherentie van ogenschijnlijk ongerelateerde en wildvreemde verschijnselen blijft het programma van de fysicus anno Zoals bij elke fysische theorie liggen empirische waarnemingen aan de basis van de mechanica. Er is eerst het intuïtieve beeld van ruimte en tijd. In de klassieke fysica zijn ruimte en tijd absoluut. Zij vormen de arena van alle gebeurtenissen. Voor dat onveranderende decor gebruik je de meetkunde zoals die sinds Euclides op school wordt geleerd. Ten tweede is de beweging volledig gedetermineerd. Als je de snelheden en posities van alle deeltjes in het universum op één bepaald ogenblik kent, kan je de hele toekomst daaruit afleiden. Onder identieke condities verloopt de beweging van een bepaald voorwerp reproduceerbaar eenduidig als we het maar telkens dezelfde beginpositie en beginsnelheid geven. Zo kunnen we bijvoorbeeld leren hoe we een bal moeten gooien naar iemand anders. Dat is de essentie van de mechanica van Newton (1687), samengevat in de bekende formule F = m a, kracht is massa maal versnelling. De kracht F bepaalt de versnelling a waaruit het volledige traject, snelheden en posities, kan berekend worden op elk ogenblik mits beginpositie en beginsnelheid gegeven zijn. De massa m is evenredigheidsconstante die de weerstand van het voorwerp tegen een verandering van beweging weergeeft. Het is merkwaardig dat dezelfde massa m ook de zwaarte of het gewicht van een voorwerp bepaalt. Dat is één van de centrale problemen in de gravitatietheorie van Newton en zal pas bij Einstein beter begrepen worden. Een derde basisgegeven is het relativiteitsbeginsel van Galilei (1632). Wanneer een trein met constante snelheid over een recht stuk spoor beweegt, kun je de beweging van de trein niet ontdekken door experimenten die je daarbinnen als passagier uitvoert. De fysische wetten blijken invariant, niet alleen in ruimte en tijd, maar ook voor waarnemers die met een constante snelheid bewegen. Als we de rotatie van de aarde even vergeten, is er niets wat ons hier verraadt dat we met een vaart van zo n kilometer per uur ten opzichte van de zon bewegen. De drie basisonderstellingen van de klassieke mechanica zijn vooral op intuïtie en eenvoudige waarnemingen gebaseerd. Om die reden was men niet snel geneigd hun vanzelfsprekendheid in vraag te stellen. De moeilijkheden ontstonden vooral toen fysici probeerden de mechanische grondbeginselen toe te passen op andere domeinen van de fysica. De Oostenrijkse fysicus en filosoof Ernst Mach was één van de eersten die aan het einde van de negentiende eeuw poogden de fundamenten van de mechanica te onderbouwen met wetenschapsfilosofische argumenten.

15 2.2 Thermodynamica De thermodynamica onderzoekt de warmteverschijnselen en hoe de materie zich gedraagt bij veranderingen van temperatuur en druk. Zij bestudeert de omzettingen van warmte en energie. De industriële revolutie en in het bijzonder de opkomst van de stoommachine vormden de achtergrond voor de ontwikkeling van de thermodynamica. Energieomzettingen, warmte en verlies (of dissipatie) vormen nog altijd een economische uitdaging. Het vertrekpunt van de thermodynamica is niet de mechanica of de moleculaire samenstelling van de materie. De fundamentele veranderlijken zijn nu druk, temperatuur en dichtheid die eerder de algemene gesteldheid van een substantie beschrijven. Deze macroscopische grootheden zijn niet onafhankelijk. Eén gram lucht in een fles van één liter op kamertemperatuur heeft een welbepaalde druk. De onderlinge relaties van druk, temperatuur en dichtheid worden aangevuld door de wetten van de thermodynamica, geformuleerd rond het midden van de 19 de eeuw. De eerste wet van de thermodynamica zegt dat we geen machine kunnen maken die energie produceert, met andere woorden de hoeveelheid energie blijft strikt behouden voor thermodynamische systemen. De verandering van energie gedurende een transformatie is altijd gelijk aan de hoeveelheid energie die het systeem van de omgeving krijgt. Dat kan warmte zijn, een spontane energiestroom tussen lichamen die op verschillende temperatuur zijn, of arbeid waar externe krachten op het systeem inwerken (of omgekeerd). Deze eerste wet stelt geen grenzen aan de mogelijkheid om één vorm van energie in een andere vorm te transformeren. Een warm voorwerp kan net zo goed warmte opnemen als warmte afgeven aan zijin omgeving. Een motor kan eindeloos warmte in arbeid en arbeid opnieuw in warmte omzetten. De tweede wet van de thermodynamica sluit echter de mogelijkheid uit om zo een perpetuum mobile te maken. Daarvoor wordt een nieuw concept geïntroduceerd, de entropie. Entropie meet de onbruikbaarheid van de energie. De tweede wet zegt dat de entropie van een afgesloten systeem altijd stijgt. De energie wordt na elke transformatie dus minder bruikbaar voor latere omzettingen. Een praktische versie van de Tweede Wet stelt dat er geen cyclisch proces bestaat waarvan het enige resultaat is dat er warmte stroomt van een koud naar een warm reservoir. De Tweede Wet introduceert in de fysica een tijdsrichting of, de pijl van de tijd. Tijdens de negentiende eeuw vonden vele fysici het moeilijk om de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica met de mechanica te rijmen. In de mechanica zijn alle bewegingen toegelaten en omkeerbaar. Van waar komt dan die voorkeur voor slechts één richting in de tijd? Als de materie uit atomen bestaat, moeten dan deze atomen niet voldoen aan de wetten van de mechanica?

16 2.3 Elektromagnetisme Als je je haren kamt of een wollen trui uittrekt, kan je elektriciteit voelen. Het meest sensationele voorbeeld van elektrische ontlading is de bliksem. We kunnen ook elektrische lading opslaan in accu s of batterijen om ze op het gepaste moment te gebruiken. Er is positieve en negatieve lading en er kunnen elektrische stromen ontstaan wanneer een negatieve en een positieve bron met elkaar verbonden worden. De elektrische werking tussen ladingen kan afstotend of aantrekkend zijn. Sommige materialen zijn magnetisch. IJzer, kobalt en nikkel hebben de eigenschap elkaar te kunnen aantrekken of afstoten naargelang hun onderlinge positie. De aarde zelf is een reuze-magneet. We zien het in het draaien van de kompasnaald. Het belangrijkste verschil met elektrische ladingen, is dat een magneet altijd zowel een zuidpool als een noordpool heeft. Elektrische stromen kunnen werken als magneten. Een spoel van coaxiale cirkelvormige windingen die alle dezelfde elektrische stroom voeren blijkt een kompasnaald te doen uitwijken. Wanneer in een gesloten kring een stroom loopt, dan wekt die een magnetische kracht op evenredig met die stroom. Magnetische velden kunnen ook stromen opwekken. Dat gebeurt in een dynamo en vele andere toestellen voor dagelijks gebruik. Elektrische ladingen komen in beweging als de eigenschappen van het magnetisme in de buurt met de tijd veranderen. Plaatsen we een geleider in de buurt van een ronddraaiende magneet, dan zien we een elektrische stroom verschijnen, waarmee we een lampje kunnen doen branden. Ook bij een elektrische wisselwerking die tijdsafhankelijk is, ontstaat een magnetische kracht. Dat laatste is heel belangrijk want nu kan er een sneeuwbaleffect ontstaan waarin elektrische veranderingen magnetische veranderingen opwekken die weer elektrische veranderingen opwekken... Deze elektromagnetische fenomenen worden beschreven in de vergelijkingen van Maxwell (1873). Het zijn veldvergelijkingen. Dat betekent dat de materiële dragers van de stromen of de krachten kunnen weggedacht worden. Aan elk punt van de ruimte en aan ieder tijdstip wordt een grootheid, het elektromagnetische veld op die plaats op dat moment, geassocieerd. De vergelijkingen voorspellen het bestaan van straling, de voortplanting van elektromagnetische golven. Licht is zo een golf. Het is duidelijk dat met de wisselwerking van ladingen en elektromagnetische velden ook een energieomzetting en warmteproductie gepaard gaat. Voldoen de elektromagnetische wetten dan ook aan de wetten van de thermodynamica? En hoe interageert licht met materie? Fysici gingen er aan het begin van de twintigste eeuw van uit dat het elektromagnetisch veld gedragen werd door een ether, die ook

17 mechanische eigenschappen moest bezitten. De Leidse hoogleraar Hendrik Antoon Lorentz, die in 1901 de Nobelprijs voor fysica ontving, ontwikkelde een mechanische theorie van elektrische deeltjes, de elektronen.

18

19 Hoofdstuk 3 Het wonderjaar De publicaties van Albert Einstein uit 1905 zijn elk apart reeds wonderbaarlijk en hebben samen het aanschijn van de fysica veranderd. Het wereldjaar van de fysica 2005 is terecht een viering van het eeuwfeest van dat annus mirabilis. 3.1 Publicatie over de fotonenhypothese Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt Annalen der Physik 17, (1905) Zichtbaar licht is een vorm van elektromagnetische straling, maar ook X-stralen of radiogolven vallen daaronder. Die verschillende soorten straling worden onderscheiden door hun frequentie, net zoals Studio Brussel op een andere frequentie uitzendt dan Klara. Straling en warmte hebben duidelijk iets met elkaar te maken. Denk maar aan de microgolf of nog beter, aan onze zon. De soort straling die een verwarmd voorwerp uitstuurt, kan van vele parameters afhangen maar in ideale omstandigheden is het enkel een functie van de temperatuur van het voorwerp. Een belangrijk probleem in de fysica was het verband tussen de intensiteit van de uitgezonden straling en de frequentie daarvan. Bij dat stralingsprobleem hoorde een experimentele curve die theoretisch echter niet kon verklaard worden. Einstein laat zich leiden door dat onbegrepen stralingsdomein en ontdekt een analogie met het gedrag van een gas. Een gas bestaat uit deeltjes; Einstein besluit dat licht zich net als een gas gedraagt. Dat is de zogenaamde fotonen-hypothese: de korreligheid van het licht. Licht bestaat uit deeltjes (fotonen), die elk een energie-kwantum bezitten. De energie van deze lichtkwanta is evenredig met de frequentie van het uitgezonden licht. Dat was revolutionair (merk

20 op dat Einstein niettemin een zeer voorzichtige titel formuleert) omdat de klassieke theorie van het elektromagnetisme, gesteund op de vergelijkingen van James Clerk Maxwell, aanneemt dat elektromagnetische energie bestaat uit golven die zich voortplanten in een hypothetisch alles doordringende ether, en die elke mogelijke hoeveelheid van energie konden bevatten, hoe klein ook. Einstein gebruikt die kwantumhypothese om onder andere het foto-elektrische effect te verklaren, waarin metalen elektronen uitzenden wanneer ze door licht met een bepaalde frequentie worden bestraald. Vermits de energie van een foton evenredig is met de frequentie, kan een elektron uit het metaaloppervlak enkel bevrijd worden als de frequentie van het invallende licht hoog genoeg is. Die theorie vormt de basis voor het begin van de kwantummechanica. In 1924 formuleerde Louis de Broglie een tweede complementaire hypothese: niet alleen aan de lichtgolven is een deeltjeskarakter te associëren; ook aan materiedeeltjes kan je een golfkarakter toekennen. Deze pilootgolven, golven die als het ware de deeltjes sturen, hebben een eigen dynamica. Erwin Schrödinger stelde in 1927 de basisvergelijkingen op van deze golfmechanica. De fysica die de interactie beschrijft tussen licht en materie en die de dynamica regeert op de allerkleinste schalen, is geboren. 3.2 Publicatie over de Brownse beweging Ueber die von molekülarkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen Annalen der Physik 17, (1905) In tegenstelling tot de thermodynamica wil de mechanica via meer fundamentele bewegingswetten van kleine deeltjes (atomen) de fenomenen afleiden die zich op thermodynamische schaal afspelen. Maar, bestaan atomen wel? Moet de fysica zich niet eerder baseren op de manifeste macroscopische verschijnselen, dan wel op diepere, hypothetische verklaringen. Einstein wilde in dit artikel een definitief bewijs geven van de corpusculaire structuur van de materie. Einstein gebruikte het fenomeen van de Brownse beweging om de atoomhypothese tot fysische theorie te verheffen. Zijn eerste bedoeling was het vinden van feiten die op de meest betrouwbare manier het bestaan van atomen met een bepaalde eindige afmeting zouden bevestigen. De botanicus Brown (her)ontdekte in 1827 de krioelende beweging van stuifmeelkorrels in een vloeistof, gemakkelijk zichtbaar met een microscoop. Meer algemeen is Brownse beweging de zeer grillige, toevallig lijkende beweging van stofkorreltjes die zweven in een vloeistof. Een moleculaire verklaring werd bedacht in 1877 door

21 de Belgische fysicus Joseph Delsaulx: de beweging van de korreltjes is een gevolg van de botsingen met de moleculen van de vloeistof. Ook al is de impact telkens zeer klein, het netto of effectieve gevolg van het groot aantal botsingen op het deeltje leidt tot beweging, die beschreven kan worden als een stochastische wandeling. Het deeltje maakt als het ware random verdeelde excursies. Toegepast op een wolkje van deeltjes, krijgen we een spreiding van de concentratie. Einstein vertaalde die mechanismen in kwantitatief testbare formules. Hij drukte de mate van diffusie uit in termen van eigenschappen van de botsende moleculen. De schijnbaar toevallige en zeer grillige beweging van de korreltjes in suspensie die vroeger onder de microscoop waren gezien, werden bedwongen in rigoureuze, zij het statistische wetmatigheden. Op die manier gaf het artikel evidentie voor het fysisch bestaan van moleculen (een granulaire structuur op atomair niveau), een onderwerp van heftige theoretische discussies. Meer algemeen zette het artikel een cruciale stap in de ontwikkeling van de dynamische fluctuatietheorie en van de statistische mechanica. 3.3 Publicatie over de speciale relativiteitstheorie Zur Elektrodynamik bewegter Körper Annalen der Physik 17, (1905) In dat artikel presenteerde Einstein voor het eerst zijn speciale relativiteitstheorie. Hij beschouwde het zelf niet als een revolutie maar noemde het een natuurlijke ontwikkeling van een lijn die voor eeuwen is gevolgd [...] gegroeid uit het elektromagnetisme [...] als een verrassend eenvoudige samenvatting en veralgemening van vroegere onafhankelijke hypotheses. In tegenstelling tot zijn tijdgenoten nam Einstein een radicaal nieuwe draad op; niet de dynamica, de tijdsevolutie van de microscopische bouwstenen van de materie, maar de kinematica, de relaties tussen tijd en ruimte waardoor positie en snelheid worden gedefinieerd, vormde het eerste en cruciale gedeelte van zijn artikel. Einstein startte met twee postulaten. Het eerste is het relativiteitsprincipe van Galilei: je kan de beweging van de trein niet ontdekken door experimenten die je daarbinnen uitvoert (mits de trein met constante snelheid over een recht stuk spoor beweegt). Einstein trok dat principe door naar de hele fysica: de wetten van elektriciteit en magnetisme, de beweging van elektrische geladen deeltjes maar ook de wetten van de optica, moeten onveranderd blijven gelden onder vertaling naar een referentiesysteem dat zich met constante snelheid verwijdert. Als een tweede fundamentele hypothese nam Einstein aan dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van de bewegingstoestand van de lichtbron. De snelheid van het licht dat door de trein

22 wordt uitgestraald, blijft ook ten opzichte van het station circa km/s, wat ook de snelheid van de trein. Vanuit deze axioma s mediteerde Einstein over de fundamentele relaties tussen tijd, lengte en snelheid. Het belangrijkste gevolg was een nieuwe kijk op tijd, niet langer absoluut maar nauw verbonden met de ruimtelijke dimensies, en relatief ten opzichte van de observeersituatie. Einstein (her)ontdekte het fenomeen van tijdsvertraging en lengtekrimp waarbij bewegende klokken trager lopen, bewegende staven korter worden en waarbij massa een functie wordt van de snelheid. In het tweede deel leidde Einstein de transformaties af voor elektrische en magnetische velden. Net zoals ruimte-tijd worden ook elektriciteit en magnetisme verstrengeld en relatief ten opzichte van het referentiestelsel. Op die manier wordt het elektromagnetisme ontdaan van een asymmetrie tussen wat elektrisch en wat magnetisch heet, afhankelijk van de beweging. Het artikel was de voorloper van de algemene relativiteitstheorie. In die theorie wordt de invariantie niet langer beperkt tot referentiesystemen met constante snelheid. Deze veralgemening ontdoet de theorie van Newton over de zwaartekracht van enkele eigenaardigheden zoals ogenblikkelijke actie over willekeurige afstand. Zwaartekracht wordt verzoend met de relativiteitstheorie: het wordt een meetkundige theorie. Afstandsmeting is niet langer gebaseerd op de Euclidische meetkunde. De Einstein-vergelijkingen tonen hoe de structuur van ruimte en tijd wordt beïnvloed door de aanwezigheid van energie of materie. 3.4 Publicatie over E=mc 2 Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? Annalen der Physik 18, (1905) Einstein rapporteerde over een merkwaardig gevolg van zijn speciale relativiteitstheorie: als een lichaam een bepaalde hoeveelheid energie uitzendt, moet de massa van dat lichaam ook dalen met een zekere waarde. De behoudswet van energie wordt zodoende uitgebreid. Massa en energie zijn in elkaar om te zetten. Het uitzenden van licht moet tot massaverlies leiden. De fundamentele relatie ziet men vaak afgedrukt als E = mc 2, wellicht de beroemdste formule uit de geschiedenis.

23 Hoofdstuk 4 De fysica na 1905 De publicaties van Einstein uit 1905 hebben in zeer belangrijke mate bijgedragen tot de start van de moderne fysica. De fysica van de 20 ste eeuw is voor een groot deel schatplichtig aan dat werk van Einstein. We kunnen ruwweg drie lijnen onderscheiden die teruggaan op de hoofdthema s uit De erfenis Ten eerste is er de kwantumrevolutie. Dat is de start van de kwantummechanica of meer algemeen, van de kwantumfysica of de kwantumtheorie. Deze theorie vormt de basis van onze inzichten in bijvoorbeeld de interactie tussen straling en materie en in de fundamentele bouwstenen van de materie. Hier komen we in de wereld van het allerkleinste maar met dikwijls belangrijke gevolgen voor het gedrag van macroscopische objecten. De stabiliteit van de materie, de kleur van een voorwerp, de werking van een laser, moderne elektronica en supergeleiding zijn voorbeelden van manifestaties van kwantumgedrag. Een tweede revolutie is die van de statistische mechanica. Dat is de combinatie van een mechanische theorie met statistische beschouwingen. Hoe een systeem evolueert in de loop van de tijd is niet alleen bepaald door de dynamische bewegingsvergelijkingen of door de wetten van de microscopische tijdsevolutie maar ook door randvoorwaarden, beginvoorwaarden en door de relevante schaal van beschrijving. Voor systemen die bestaan uit een groot aantal deeltjes of componenten kunnen nieuwe fenomenen optreden die men niet had kunnen vermoeden uit de studie van de microscopische wetten. Daaronder valt bijvoorbeeld de studie van de aggregatietoestanden van de materie of de theorie van faseovergangen. Een ander voorbeeld is het verschijnen van autonoom gedrag van collectieve variabelen. Denk aan de stroming van een vloeistof of aan de spreiding van een inktdruppel in water. Ten derde is er de relativiteitstheorie. De speciale relativiteitstheorie is natuurlijk

24 relevant voor voorwerpen die met zeer hoge snelheid bewegen, dicht bij de lichtsnelheid. Zulke snelheden kunnen bereikt worden in deeltjesversnellers maar ook bij kosmische straling. Einstein zal ook aan de basis staan van de uitbreiding naar de algemene relativiteitstheorie. Daarin wordt de theorie van Newton over de zwaartekracht gecorrigeerd. De zwaartekracht zal niet langer een mysterieuze kracht zijn die ogenblikkelijk over willekeurig grote afstanden werkt. De algemene relativiteitstheorie is vooral inzetbaar in de kosmologie, de studie van ons heelal. Hier kan geen algemeen overzicht worden gegeven van de evolutie of van de belangrijkste ontwikkelingen in de moderne fysica. We beperken ons tot enige algemene opmerkingen die het vorige enigszins herhalen maar dicht bij het jaar 1905 blijven. 4.2 Statistische mechanica Vanaf het jaar 1905 kreeg Einstein al heel snel belangrijke aanhangers. Vooraanstaande fysici zoals Max Planck en Hendrik Antoon Lorentz waren onder de indruk van de nieuwe mechanica beschreven door de speciale relativiteitstheorie. Ook zijn werk over de Brownse beweging sloeg aan. De revolutionaire fotonenhypothese, dat licht zou bestaan uit deeltjes, bleek aanvankelijk veel minder indruk te maken. Jean Perrin was een fysicus in Parijs die rond 1908 met een team studenten begon aan een hele reeks experimenten om de theorie van Einstein in verband met de Brownse beweging te testen. Dat moest de uiteindelijke test voor de atoomhypothese geven. In een opeenvolging van experimentele stappen slaagde de groep van Perrin er in om de kwantitatieve voorspellingen van Einstein in detail te verifiëren. Vele sceptici werden hierdoor overtuigd van de atoomhypothese. Andere argumenten waren te vinden in de experimentele studie van gasontladingen en de ontdekking van het elektron met bijhorende atoommodellen. Wilhelm Ostwald, die jarenlang de atoomhypothese met grote hevigheid had bekampt, schreef in 1913: De isolatie en het tellen van gasionen aan de ene kant... en aan de andere kant de overeenkomst van de Brownse beweging met de vereisten van de kinetische hypothese [...] rechtvaardigen de meest voorzichtige wetenschapper nu te spreken over het experimenteel bewijs van de atoomtheorie van de materie. De atoomhypothese is dus verheven tot de positie van een wetenschappelijk goed-gefundeerde theorie. Ook nog na 1905 heeft Einstein verder bijgedragen tot de statistische mechanica, waar de mechanica dient aangevuld door statistische overwegingen. Einstein noemde het de parel aan de kroon van de mechanica. Veelal stond deze theorie model als een brug tussen een theorie van het allerkleinste en een macroscopische verklaring van waargenomen fenomenen. Uit Einsteins werk groeide wat de dynamische fluctuatietheorie is gaan heten: hoe macroscopische be-

25 weging kan ontstaan of kan gestuurd worden door microscopische ruis of fluctuaties. De kwantificatie van het toeval en hoe dat dikwijls belangrijke veranderingen in een systeem teweegbrengt, wordt gemodelleerd in de studie van de Brownse beweging. De competitie tussen microscopische wet en de willekeurige effecten van de buitenwereld maken een systeem dikwijls complex. De fysica van complexe systemen staat ook nu nog altijd op de voorgrond en is bij uitstek een interdisciplinair thema. Je vindt het in biologische systemen zoals in levensprocessen maar ook in de economie, bijvoorbeeld bij de studie van beursschommelingen of fluctuerende prijzen in een wereldwijd marktgebeuren. 4.3 Kwantummechanica De fotonen-hypothese van Einstein werd niet onmiddellijk algemeen aanvaard. Integendeel, meerdere leidende fysici zagen het als een jeugdzonde van de jonge Einstein. Het was vooral het foto-elektrische effect dat voor consensus zorgde en wel via de experimenten van Robert Millikan in Men vertrouwde wel op Einsteins vergelijking voor het foto-elektrische effect, maar niet op zijn kwantumhypothese. Einstein was echter onverstoorbaar. Zijn voornaamste werken in de periode waren in het domein van de ontluikende kwantumtheorie. Stralingstheorie bleef in het centrum van de aandacht en het is daarin dat Einstein de voornaamste voorzetten gaf in de eerste ontwikkeling van de kwantummechanica. Een andere toepassing van de kwantumtheorie waar Einstein als eerste toe kwam, was een bijdrage tot de moderne vaste-stoffysica. In 1907 gebruikte hij de kwantumtheorie om bepaalde warmte-eigenschappen van vaste stoffen te berekenen. Hij sprak erover tijdens de eerste Solvay-conferentie in Brussel in 1911, waar de hele top van de fysica bij elkaar kwam. Via de verbeteringen van Peter Debije in 1912 kwam de kwantumtheorie zo een meer traditioneel domein van de fysica binnen. De aandacht werd verscherpt. 4.4 Relativiteitstheorie De theorie van de speciale relativiteit geraakte snel bekend, vooral in Duitsland. In het begin was er enige verwarring en men beschouwde het misschien als een bijdrage tot de elektronentheorie zoals er in die tijd wel meer waren. Men sprak ook over de Lorentz-Einstein theorie zonder de specifieke vernieuwing van Einstein te zien. Het was vooral Planck vrij snel na de publicatie van 1905, die de eerste grote fan en verspreider werd. Dankzij mensen als Planck en ook Minkowski, Ehrenfest en Laue werd de theorie gauw alom bekend en aanvaard door de leidende theoretische fysici.

26 Einstein zelf schreef en sprak veel over de theorie. Hij kwam echter ook op het spoor van een veralgemening die hij eerst in 1907 vermeldde en vanaf 1911 serieus ging uitwerken. In 1915 gebruikte hij de term speciale relativiteitstheorie om het werk van 1905 te onderscheiden van de nieuwe algemene relativiteitstheorie. In de periode kon Einstein zijn nieuwe theorie vervolmaken. Gravitatie, de theorie van de zwaartekracht, werd een meetkundige veldentheorie. De woorden van Kepler waar er materie is, is er meetkunde kregen een nieuwe betekenis. Einstein noemde het de meest waardevolle ontdekking die hij in zijn leven had gemaakt. Voor het grote publiek dat in het begin van de jaren 1920 kennis maakte met de man en zijn werk, betekende het een revolutionaire doorbraak, de overgang van Newtoniaanse naar Einsteiniaanse fysica. De algemene relativiteitstheorie is moeilijker te vatten dan de speciale relativiteitstheorie. De wiskunde is meer ingewikkeld, de concepten zijn complexer en toepassingen lijken nog verder weg. Het initiële succes van de algemene relativiteitstheorie kwam vooral van de volgende drie voorspellingen. Sinds 1859 wist men dat Mercurius niet helemaal de Newtoniaanse mechanica volgt bij de omwenteling rond de zon. Er was een tot dan toe onverklaarbare verandering in de locatie waar de planeet Mercurius de zon het dichtst nadert. Dat is de anomale precessie van het perihelium. De theorie van Newton gaf geen uitleg. Minstens vanaf 1907 was Einstein bezig met dat probleem Hij was in staat om met zijn algemene theorie een kwantitatieve verklaring van het effect te geven. Een tweede voorspelling is de gravitationele roodverschuiving. In het kort: een klok tikt trager in de nabijheid van een zware massa. Dat kan opgemerkt worden in de meting van golflengtes van stralen, bijvoorbeeld van de zon. De derde voorspelling was de meest sensationele: licht buigt af in de buurt van grote massa s. De totale zonsverduistering van 1919 bracht een expeditie op gang om het effect te meten. Deze gebeurtenissen betekenden een keerpunt in de sociale geschiedenis van de relativiteitstheorie. Vandaag blijft de algemene relativiteitstheorie de bouwsteen van de fysische kosmologie. Kosmologie wil de natuur begrijpen op de grootst mogelijke schaal, dat van het hele universum, geschiedenis en toekomst, met de methodes van de natuurwetenschappen. Dat wetenschapsdomein heeft belangrijke raakpunten met verschillende gebieden die hier al aan bod zijn gekomen. Het vormt het toepassingsgebied bij uitstek van de relativiteitstheorie van Einstein. Vandaag is de interesse in kosmologie des te groter door de steeds beter wordende observationele mogelijkheden en omwille van nieuwe theoretische ontwikkelingen en ideeën waarin de unificatie van de kwantumtheorie met de relativiteitstheorie een belangrijk thema is. Experimentele studie van de algemene relativiteitstheorie is meer dan ooit mogelijk. Atoomklokken, raketten en satellieten maar ook computers en geavanceerd elek-

27 tronisch navigatiemateriaal, zij hebben de algemene relativiteitstheorie dichter bij huis gebracht. 4.5 Uitdagingen Uit het bovenstaande mag de lezer niet besluiten dat Einstein volledig de agenda van de 20 ste eeuwse fysica heeft bepaald. De fysica heeft ook nieuwe uitdagingen leren kennen. Vandaag is het einde van de fysica niet in zicht. De revoluties zijn niet af en reeds bieden zich nieuwe vraagstukken aan die de thema s van 1905 ver overstijgen. Zelfs in de klassieke fysica blijven problemen bestaan. Een fundamenteel probleem is de karakterisatie van systemen die ver uit evenwicht zijn. Dat wordt soms samengevat als het probleem van turbulentie, het laatste grote onopgeloste probleem uit de klassieke fysica. Een andere grote uitdaging is de unificatie van de kwantumtheorie met de algemene relativiteitstheorie. Misschien moeten die theorieën wel enigszins gewijzigd worden om verzoend te kunnen worden. Er zijn in de loop van de recente geschiedenis verschillende voorstellen gemaakt, zoals de snarentheorie, maar ook hier is het doek nog lang niet gevallen. Nieuwe inzichten die even revolutionair worden als die van 1905 zijn niet uit te sluiten. Tot slot dient zeker vermeld dat er tal van experimentele, observationele en technologische moeilijkheden en uitdagingen blijven bestaan. We willen verder, sneller, dieper en scherper kijken en de fysica wil zich concreet inzetten voor het welzijn van de mens. Dat laatste is wellicht het meest zichtbaar in de ontwikkeling van medische technologie en in de uitwerking van betere communicatiemiddelen. De ambitie om de natuur te begrijpen en de wetten van het universum te ontrafelen blijft evenwel de voornaamste drijfveer van de fysicus. Met de woorden van Einstein:... de rest zijn details.

28

29 Hoofdstuk 5 Historische receptie Einstein was vrijwel onbekend toen hij in 1905 zijn revolutionaire bijdragen publiceerde. Niet iedereen begreep meteen het belang daarvan. Aanvankelijk was slechts een kleine groep fysici onder de indruk. Dat werd helemaal anders toen in 1919 een door Einstein voorspelde afbuiging van het licht werd waargenomen. Einstein werd op slag uitgeroepen tot een nieuwe Copernicus. Zijn roem bracht hem over de hele wereld. Maar ook werd hij onvermijdelijk meegesleurd in de politieke spanningen en ideologische tegenstellingen van zijn tijd. Einstein was een groot verdediger van het pacifisme, maar wijzigde zijn houding toen Hitler in Duitsland aan de macht kwam. 5.1 Tijdgenoten van Einstein De spanningen in de moderne fysica die op het einde van de negentiende eeuw duidelijk waren geworden, inspireerden een aantal vooraanstaande natuurkundigen tot nieuwe theorieën. De Nederlandse fysicus Hendrik Antoon Lorentz ontwikkelde een corpusculaire elektromagnetische theorie, waarin hij hypothetische elektronen gebruikte (het bestaan van elektronen was nog niet bewezen). In Berlijn had Max Planck in 1900 getracht om een theoretische fundering te vinden voor de elektromagnetische stralingswetten, en was daarbij als eerste op een kwantumhypothese uitgekomen. Ook de Franse wiskundige en wetenschapsfilosoof Henri Poincaré pleitte voor een hervorming van de mechanica, gevestigd op een nieuwe theoretische basis. Einsteins artikelen uit 1905 werden door hen snel op hun revolutionaire waarde geschat. Lorentz en Planck steunden Einstein. Poincaré wees de relativiteitstheorie af, maar droeg toch bij tot een ruimere bekendheid van Einsteins werk. Einstein werd in 1911 uitgenodigd op het eerste, prestigieuze Solvay congres in Brussel (op initiatief van en gefinancierd door de Belgische industrieel Ernest Solvay). Einstein sprak er niet over de relativiteitstheorie, maar zijn aanwezigheid ging niet onopgemerkt voorbij. Vanaf dat ogenblik behoorde Einstein tot het selecte kransje van topgeleerden.

30 Toch maakte de relativiteitstheorie van Einstein nog niet veel indruk op de fysici, die experimentele bewijzen wilden zien. Wiskundigen zagen al veel sneller in dat de tijd-ruimte van de relativiteitstheorie een onverwachte fysische bevestiging gaf van het nut van niet-euclidische meetkunde. Hermann Minkowski werkte in 1909 deze wiskundige formulering verder uit. 5.2 De nieuwe Copernicus? De speciale relativiteitstheorie van 1905 was voor Einstein geen eindpunt. Hij werkte verder aan een algemene relativiteitstheorie, waarin geen enkel referentiestelsel nog absoluut in rust was. In 1911 kwam hij tot de logische conclusie dat in zo n algemene relativiteitstheorie een lichtstraal onder invloed van de zwaartekracht zou afgebogen worden, een conclusie die volledig in tegenspraak was met de klassieke fysica. Als die afbuiging ook werkelijk kon worden waargenomen, was dat een sterke bevestiging van zijn theorie. Het door Einstein voorspelde verschijnsel was erg klein. Er was een grote massa nodig om het effect van de afbuiging te kunnen meten. De grootste massa in onze onmiddellijke omgeving is de zon. Een lichtstraal die rakelings langs de zon beweegt, zou voldoende afgebogen worden om een meting te kunnen doen. Maar daarvoor moet zich een zonsverduistering voordoen. Alleen dan kan je het licht van sterren waarnemen in de buurt van de zon. Einstein, die inmiddels naar Berlijn verhuisd was, stelde alles in het werk om een astronomische expeditie mogelijk te maken, maar door de eerste wereldoorlog werden alle plannen daarvoor gedwarsboomd. Op 29 mei 1919 deed zich een nieuwe gelegenheid voor. Sir Arthur Eddington trok naar het eiland Principe in de Golf van Guinea, voor de kust van West Afrika. Een tweede expeditie onder leiding van Andrew Crommelin deed metingen in het Braziliaanse dorpje El Sobral. De resultaten van deze expeditie werden bekend gemaakt op 6 november 1919 tijdens een bijeenkomst van de Royal Society en de Royal Astronomical Society in Londen. Hoewel de metingen van Eddington en Crommelin van elkaar verschilden, bevestigden ze Einsteins voorspelling. Einstein werd van dag op dag wereldberoemd. 5.3 Roem: pro en contra Beroemdheid heeft zijn tol. Einstein werd overal gevraagd en zijn portret verscheen op alle voorpagina s. In de vroege jaren 20 maakte hij vele verre reizen. In april 1921 vertrok hij naar de Verenigde Staten op vraag van de Joodse gemeenschap om geld in te zamelen voor de stichting van een Hebreeuwse Universiteit in Jeruzalem.

31 Daarna ging hij ook naar Engeland (juni 1921), Frankrijk (maart en april 1922), China (oktober-november 1922), Japan (november-december 1922), Palestina (februari 1923), Spanje (februari-maart 1923) en Zuid-Amerika (maart - juni 1925). Steeds werd hij door een grote menigte verwelkomd. In 1921 ontving Einstein de Nobelprijs Natuurkunde voor zijn bijdragen tot de theoretische fysica, en in het bijzonder voor de ontdekking van de wet van het foto-elektrische effect. De relativiteitstheorie werd nog te weinig bewezen geacht om te vernoemen. De relativiteitstheorie bracht heel wat geesten in beroering. Wiskundigen beschouwden het als een bevestiging van de zin van niet-euclidische meetkundes. Filosofen onderzochten de epistemologische en ontologische implicaties van Einsteins relatieve wereld. Ook fysici lieten van zich horen; velen wisten niet goed hoe ze de nieuwe theorieën moesten inschatten. De verstrengeling van tijd en ruimte leek tegen de natuurlijke intuïtie in te gaan en het was nog helemaal niet duidelijk dat er ook praktische resultaten uit de relativiteitstheorie zouden kunnen gehaald worden. Daarbij voegde zich nog een andere vorm van kritiek. Einstein was jood en het groeiend antisemitisme in Duitsland zag in de moeilijk te begrijpen relativiteitstheorie een door het jodendom verspreid waanbeeld dat gewone mensen in verwarring moest brengen. Met de opkomst van het nazisme werd die kritiek nog sterker. Twee vooraanstaande fysici, Philip Lenard en Johannes Stark, allebei Nobelprijswinnaars, wilden de natuurkunde in Duitsland omvormen tot een Deutsche Physik, een arische fysica. Dat was een concrete, experimentele natuurkunde die zich niet door theoretische, wereldvreemde beschouwingen van de wijs wilde laten brengen. Toen Hitler aan de macht kwam werden alle Joodse geleerden aan de universiteiten ontslagen. Einstein, die toen in België was, nam zelf ontslag. Maar na wat moeilijkheden mocht de relativiteitstheorie in Duitsland wel onderwezen worden; alleen was de naam Einstein taboe. 5.4 Kosmologie Einsteins roem was vooral gevestigd op de relativiteitstheorie. Maar hij deed heel wat meer. Hij bedacht bijvoorbeeld het theoretisch model dat aan de basis ligt van de moderne laser. Eén van de grote vragen die hij wilde oplossen was een theorie van alles, een kosmologie waarin alle krachten werden teruggebracht tot eigenschappen van de tijd-ruimte en de daarin aanwezige materie. In 1917 publiceert hij een eerste versie van zijn universumtheorie, waarbij hij uitgaat van een ruimte in evenwicht. Om die statische ruimte mogelijk te maken moest hij een kracht vinden die de zwaartekracht kon compenseren; zoniet klapte alles in elkaar. Die uitzettende kracht vatte hij samen in een kosmologische constante die hij aan zijn vergelijkingen toevoegde. Twee andere wetenschappers, Willem de Sitter in Nederland en Alexander Friedman in Rusland, kwamen tot heel andere resultaten. Volgens hen moest het heelal

32 niet noodzakelijk statisch zijn. Er ontstond een debat tussen Einstein en zijn collega s, waarbij duidelijk werd dat elk van de voorgestelde oplossingen mogelijk is. De Leuvense hoogleraar Georges Lemaître bedacht in 1927 een model dat dat van Einstein tegensprak, en dat in dezelfde richting wees als dat van de Sitter en Friedman. Het universum zou volgens Lemaître een duidelijk beginpunt gekend hebben, wat wij nu de oerknal noemen. Deze hypothese werd later uitgewerkt tot de Big Bang-theorie. Rond diezelfde tijd ontdekte de Amerikaan Edwin Hubble dat alle sterrenstelses zich van ons verwijderen met een snelheid die recht evenredig is met de afstand: hoe verder ze zich van ons bevinden, hoe sneller ze bewegen. Op die manier bevestigde hij in 1929 de vermoedens van de Sitter, Friedman en Lemaître. Einstein bezocht Hubble in 1930 en sprak met hem over de resultaten van zijn waarnemingen. Vanaf dan noemde hij de kosmologische constante die hij zelf had geïntroduceerd de grootste blunder van mijn leven. In 1932 publiceerde hij, samen met de Sitter, een nieuwe theorie waarin ze een model van een uitdijend heelal voorstellen. Dat model is door de huidige kosmologie grotendeels aanvaard. Sinds kort is de waarde van de kosmologische constante ook werkelijk opgemeten. Zij is inderdaad verschillend van nul. 5.5 Kwantumwereld? In 1927 nam Einstein deel aan het vijfde Solvay-congres in Brussel. Einstein raakte er in discussie met Niels Bohr over de nieuwe interpretatie van de kwantummechanica, de theorie die het gedrag van de kleinst mogelijke stofdeeltjes bestudeert. Einstein had in 1905 zelf een belangrijke bijdrage geleverd aan de kwantummechanica, met zijn verklaring van het foto-elektrische effect. Maar de nieuwe generatie fysici met als inspirerend middelpunt de Deense natuurkundige Bohr wilde veel verder gaan. Na intense samenwerking met de jonge Werner Heisenberg, formuleerde Bohr de zogenaamde Kopenhaagse interpretatie. Eén van de elementen van die interpretatie was de onzekerheidsrelatie van Heisenberg en het daaraan gekoppelde primaat van de waarneming en de voorspelling, er is geen kwantumwereld. Bovendien was er een dualiteit in de structuur van de kleinste deeltjes van de materie, die door de natuurkunde niet wordt opgelost. Volgens de Kopenhaagse interpretatie zijn alle objecten ofwel deeltje ofwel golf, al naargelang het fenomeen dat je wil onderzoeken: de experimentele omstandigheden waarin je een fenomeen onderzoekt spelen een rol in de uitkomst van je onderzoek. Beide mogelijke structuren zijn complementair en de discussie kan niet in het voordeel van de ene of de andere beslecht worden. Voor de wetenschappelijke kennisvorming had dit een aantal ernstige consequenties. Einstein was zeer gekant tegen deze opvatting. Hij was ervan overtuigd dat het mogelijk moest zijn om, vroeg of laat, een dieperliggende theorie te vinden die ons zou toelaten fysische verschijnselen met zekerheid te kennen, los van de omstandigheden