Einsteins bijzondere jaar

IN 1905 publiceerde een 26-jarige patentklerk, Albert Einstein, vier wetenschappelijke verhandelingen die een verandering brachten in de manier waarop we ons universum bezien — van de kleinste bouwsteentjes ervan tot de grootste sterrenstelsels. Enkele van die artikelen gaven vervolgens weer de aanzet tot veel van de uitvindingen die in de afgelopen honderd jaar ons leven hebben veranderd.

„Er valt haast geen belangrijk fundamenteel idee in de moderne fysica te noemen”, zegt Isidor Rabi, Nobelprijswinnaar voor natuurkunde, „waarvan de oorsprong niet minstens ten dele is terug te voeren op Einstein.” Wat heeft Einstein een eeuw geleden nu precies ontdekt?

Hij ontsloot de geheimen van het licht

Het artikel van Einstein dat in maart 1905 gepubliceerd werd, onthulde een aantal geheimen van de aard van het licht. Geleerden hadden al ontdekt dat als licht door de ruimte beweegt, het zich lijkt te gedragen als golfjes, als waterrimpelingen die over een vijveroppervlak gaan. De golftheorie kon echter niet verklaren waarom gedempt blauw licht een elektrische stroom opwekt als het op bepaalde metalen valt, terwijl dat met helder rood licht niet lukt. Einsteins artikel droeg bij tot een verklaring voor dit zogeheten foto-elektrische effect.

Einstein argumenteerde dat licht soms beschouwd kan worden als bestaande uit kleine pakketjes energie, later fotonen genoemd. Wanneer deze fotonen het juiste energieniveau hebben, oftewel de goede kleur, kunnen ze elektronen losmaken uit de atomen van sommige metalen. (Fotonen van rood licht zijn te zwak om dat klaar te spelen.) Deze interactie zorgt ervoor dat er een elektrische stroom gaat lopen in het materiaal. Moderne vindingen zoals de televisie-opneembuis, zonnecellen en fotografische lichtmeters zijn allemaal terug te voeren op Einsteins beschrijving van het foto-elektrische effect.

Einstein kreeg in 1921 de Nobelprijs voor natuurkunde voor de manier waarop hij het licht verklaarde. Zijn artikel droeg er ook toe bij dat er een nieuw wetenschapsgebied, de kwantumtheorie, werd opengelegd. En vervolgens legde de kwantumtheorie de basis voor een veelheid van nieuwe ontwikkelingen, waaronder de kernfysica, elektronica en nanotechnologie.

Waarom de pollen dansen

In 1905 richtte Einstein ook zijn aandacht op atomen en moleculen. Hij leverde een theoretische verklaring voor hun effect op kleine stuifmeelkorrels in  water. In 1827 had een bioloog, Robert Brown, er door een microscoop naar gekeken en opgemerkt dat de korrels in water grillig heen en weer bewegen. De pollendans heeft aan hem de naam brownbeweging te danken, maar hij was niet in staat er een verklaring voor te geven.

In zijn artikel van mei 1905 opperde Einstein de gedachte dat trillende watermoleculen deze brownbeweging veroorzaakten. Hij berekende niet alleen de grootte van de watermoleculen maar voorspelde ook de specifieke eigenschappen van hun atomen. Andere geleerden bouwden voort op deze voorspellingen en maakten een eind aan de twijfels die er nog bestonden aan het bestaan van atomen. De moderne fysica is gebaseerd op het idee dat materie uit atomen bestaat.

Tijd is relatief

Einsteins speciale relativiteitstheorie, gepubliceerd in juni 1905, was in strijd met een fundamentele overtuiging van geleerden als Isaac Newton — dat de tijd overal in het universum even snel verloopt. De implicaties van Einsteins nu algemeen aanvaarde theorie lijken heel bizar.

Stel u voor dat u met een vriend uw horloges perfect gelijkzet. Uw vriend vliegt nu rond de wereld, terwijl u thuisblijft. Bij zijn terugkomst zal de tijd op zijn horloge een heel klein beetje achterlopen bij wat uw horloge aangeeft. Vanuit uw perspectief heeft de tijd voor uw reizende vriend iets langzamer gelopen. Het verschil is uiteraard bij menselijke snelheden oneindig klein. Maar wanneer het gaat om snelheden die in de buurt van de lichtsnelheid komen, treedt er niet alleen een duidelijke vertraging van de tijd op maar worden objecten ook kleiner en neemt hun massa toe. Volgens Einsteins theorie is de lichtsnelheid en niet de tijd een constante in het universum.

Een formule die de wereld veranderde

In september 1905 publiceerde Einstein nog een artikel, een soort mathematische voetnoot bij zijn speciale relativiteitstheorie. Het bevatte de formule die inmiddels geldt als hét symbool van zijn werk, E=mc². Deze vergelijking zegt dat de hoeveelheid energie die vrijkomt bij atoomsplitsing, gelijk is aan het verlies van massa maal lichtsnelheid in het kwadraat.

Als resultaat van het werk van geleerden als Einstein heeft de mensheid veel geleerd over de aard van het heelal. Maar ook nu nog beantwoordt dat wat de mens ervan weet, aan de beschrijving die de man Job uit de oudheid ervoor koos. Sprekend over de werken van de Schepper erkende hij nederig: „Ziet! Dit zijn de zomen van zijn wegen, en wat een gefluister van een zaak is er omtrent hem gehoord!” — Job 26:14.

[Diagram/Illustraties op blz. 20]

(Zie publicatie)

Licht gedraagt zich als golven maar ook als deeltjes. Dit inzicht heeft geleid tot de rekenmachientjes op zonne-energie en de lichtsensoren in digitale camera’s

[Diagram/Illustraties op blz. 21]

(Zie publicatie)

De brownbeweging heeft het bestaan van atomen helpen bewijzen

[Diagram/Illustraties op blz. 21]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

E Energie

= is gelijk

m massa

c² maal lichtsnelheid kwadraat

c² betekent c maal c, oftewel 299.792 kilometer per seconde maal 299.792 kilometer per seconde

Omdat c² een fantastisch groot getal is (89.875.000.000 km²/sec²), kan een heel klein beetje massa omgezet worden in een enorme hoeveelheid energie. Wanneer een atoom uranium gesplitst wordt, vormt het snel twee kleinere atomen maar verliest het ook ongeveer 0,1 procent van zijn massa; dat kleine beetje zet zich om in een gigantische hoeveelheid vrijkomende energie

Vrijgekomen energie

Slechts een kilogram van wat maar ook, zou bij volledige omzetting in energie . . .

▪ gelijkstaan aan ruim 24 miljard kilowattuur

▪ een auto 400.000 keer om de aarde laten rijden

▪ de grootste mammoettanker bijna 900 keer rond de wereld laten varen

▪ de Verenigde Staten ruim twee dagen lang van de benodigde elektriciteit voorzien

Het omgekeerde is ook waar. Er is een ontzaglijke hoeveelheid energie nodig om slechts één atoom te ’materialiseren’

[Illustraties op blz. 21]

Hoe sneller u reist, hoe langzamer de tijd gaat

[Illustratie op blz. 21]

Klokken aan boord van satellieten van het GPS-navigatiesysteem tikken niet met dezelfde snelheid als klokken op aarde. Als er niet werd gecorrigeerd voor dit effect van de relativiteit, zou het GPS-signaal onbruikbaar zijn

[Illustratieverantwoording op blz. 20]

Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; background: CERN photo, Geneva