Tentoonstellingsgids - Departement Natuurkunde en Sterrenkunde

“... de rest zijn details”
Einstein 1905-2005
Tentoonstellingsgids
Een initiatief van het departement Natuurkunde en Sterrenkunde
van de Katholieke Universiteit Leuven, naar aanleiding van
het wereldjaar fysica 2005.
Samengesteld door prof. dr. Christian Maes
[email protected]
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 19de
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.
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:
http://www.einstein2005.be
Voor een kalender van activiteiten in het fysicajaar 2005 en voor links met andere
nationale en internationale initiatieven kan je terecht op:
http://fysica2005.kuleuven.be
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
Inhoudsopgave
1 “. . . de rest zijn details”
2 De
2.1
2.2
2.3
fysica rond 1900
Mechanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thermodynamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektromagnetisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Het
3.1
3.2
3.3
3.4
4 De
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
7
wonderjaar
Publicatie over
Publicatie over
Publicatie over
Publicatie over
de fotonenhypothese . . . . . .
de Brownse beweging . . . . .
de speciale relativiteitstheorie
E=mc2 . . . . . . . . . . . . .
fysica na 1905
De erfenis . . . . . . .
Statistische mechanica
Kwantummechanica . .
Relativiteitstheorie . .
Uitdagingen . . . . . .
.
.
.
.
.
5 Historische receptie
5.1 Tijdgenoten van Einstein
5.2 De nieuwe Copernicus ?
5.3 Roem: pro en contra . .
5.4 Kosmologie . . . . . . .
5.5 Kwantumwereld ? . . . .
5.6 De grijze, wijze man . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
11
11
13
14
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
17
17
18
19
20
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
21
21
22
23
23
25
.
.
.
.
.
.
27
27
28
28
29
30
31
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
6 Albert Einstein en zijn relatie met België
33
7 Einstein in kunst en als icoon
7.1 Kunst en wetenschap . . . .
7.2 Einstein en kunst . . . . . .
7.3 Einstein in kunst . . . . . .
7.4 Icoon van het intellect . . .
35
35
36
37
39
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
8 Biografische gegevens van Einstein
43
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, 54:370-371]. 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 1905.
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
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 geı̈nteresseerd 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 = mc2 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 geı̈nteresseerd wa-
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 geı̈nteresseerd 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.
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-
mechanica.
Dat geloof in de wetmatigheid en de coherentie van ogenschijnlijk ongerelateerde
en wildvreemde verschijnselen blijft het programma van de fysicus anno 2005.
Zoals bij elke fysische theorie liggen empirische waarnemingen aan de basis van de
mechanica. Er is eerst het intuı̈tieve 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 100.000 kilometer per uur ten opzichte van de zon bewegen.
De drie basisonderstellingen van de klassieke mechanica zijn vooral op intuı̈tie 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.
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 19de 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 geı̈ntroduceerd, 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?
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
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.
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, 132–148 (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
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, 549–560 (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
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, 891–921 (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
wordt uitgestraald, blijft ook ten opzichte van het station circa 300.000 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
beı̈nvloed door de aanwezigheid van energie of materie.
3.4
Publicatie over E=mc2
Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?
Annalen der Physik 18, 639–641 (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 = mc2 , wellicht de beroemdste formule uit de geschiedenis.
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 20ste 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 1905.
4.1
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
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-
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 1916. 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 19061911 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.
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 1915-1916 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-
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 20ste 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.
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.
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.
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’ intuı̈tie 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
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 Lemaı̂tre 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 Lemaı̂tre 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 Lemaı̂tre. 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 geı̈ntroduceerd “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
waarin ze worden onderzocht. Hij geloofde vast dat alles in de natuur onderworpen
is aan strikte wetmatigheden. De willekeur van de Kopenhaagse school is volgens
hem niet de objectieve werkelijkheid. God dobbelt niet: Gods schepping werkt niet
volgens waarschijnlijkheden en toevalligheden. Als de fysica de onderliggende orde en samenhang van alles niet kan blootleggen, staat ze simpelweg nog niet ver
genoeg.
5.6
De grijze, wijze man
Einstein probeerde door verschillende gedachtenexperimenten tegenstrijdigheden en
fouten in de Kopenhaagse interpretatie aan te wijzen. De confrontatie tussen Einstein en Bohr op het Solvay congres van 1927 leverde geen overwinnaar op. Ook
later bleef Einstein de grondslagen van de kwantummechanica in vraag stellen,
Daardoor werd Einstein door jongere fysici meer en meer beschouwd als een “wijze oude man” die echter door de ontwikkeling van de moderne fysica leek ingehaald.
In 1933 vestigde Einstein zich definitief in Amerika aan het Institute for Advanced Study in Princeton. Hij bleef wetenschappelijk actief, maar moest ook vaak
als publieke figuur optreden. In de zomer van 1939 werd hij benaderd door twee
Hongaarse natuurkundigen, Eugen Wigner en Leo Szilard. Zij maakten zich zorgen
over aanwijzingen als zou nazi-Duitsland een atoombom bouwen. Einstein schreef
toen een beroemde brief aan de Amerikaanse president om deze bezorgdheid over
te brengen en te pleiten voor een actief Amerikaans beleid terzake. Deze brief lag
aan de basis van het Amerikaanse Manhattan-project, dat in 1942 van start ging.
De atoombommen op Hiroshima en Nagasaki maakten een einde aan de oorlog
met Japan, maar veroorzaakten ook grote onrust bij politieke waarnemers en opiniemakers. De macht van de wetenschap leek proporties aan te nemen die tot de
vernietiging van de hele mensheid konden leiden. Vele wetenschappers mengden zich
in dit debat. Ook Einstein, die bekend stond als pacifist, nam deel aan acties tegen
de atoombom, o.a. door zijn bijdrage in One World or None in maart 1946. Zijn
laatste publieke actie was zijn medewerking aan het zogenaamde Russell-Einstein
manifest, dat de stimulans was van de latere Pugwash conferenties.
Hoofdstuk 6
Albert Einstein
en zijn relatie met België
Toen Hitler in maart 1933 in Duitsland aan de macht kwam, was Albert Einstein
samen met zijn vrouw op terugreis vanuit de Verenigde Staten. Op de boot Belgenland van de Red Star Line vernam hij het nieuws dat de nazi’s een ware heksenjacht
op joden hadden ontketend. In plaats van door te reizen naar Hamburg besloot Einstein om een poos uit Duitsland weg te blijven wegens het antisemitische geweld.
Op 28 maart meerde de boot te Antwerpen aan. België was helemaal geen onbekend
terrein voor Einstein. Enkele familieleden van hem woonden in Antwerpen. Ook
onderhield hij reeds enkele jaren een correspondentie met koningin Elisabeth. Bij
zijn aankomst stonden onder andere burgemeester Camille Huysmans, een aantal
professoren, enkele Vlaamse vrienden en journalisten klaar om Einstein warm te
onthalen. Na enkele dagen reisde het koppel door naar De Haan waar ze hun intrek
namen in de villa Savoyarde.
Gedurende zijn verblijf in De Haan gaf Einstein veel voordrachten in binnen- en buitenland. Hij, ontmoette er de schilders James Ensor, Felix Labisse, Alfons Blomme
en de schrijver Aldous Huxley, en gaf onder andere een vioolconcert in het kursaal van Oostende in het bijzijn van koningin Elisabeth. Met haar onderhield hij
een hartelijke correspondentie. Talloze keren werd Einstein door het koninklijk hof
uitgenodigd op het paleis van Laken. Op 20 mei 1929 – dus voor zijn langdurige
verblijf in België – bracht Einstein een allereerste maal een harmonischen Nachmittag te Laken door. Ook nadat Einstein België had ingeruild voor een definitief
verblijf in Amerika bleef hij warme vriendschappelijke gevoelens koesteren voor de
koningin. Elisabeth vroeg dikwijls in haar brieven wanneer Einstein naar Europa
zou terugkeren om haar te verblijden met een virtuoos vioolspel.
Tijdens zijn verblijf in België schreef Einstein het Kaiser Wilhelm Institut für Physik aan om hen op de hoogte te brengen dat hij afstand deed van zijn functie als
directeur. Ook gaf hij zijn ontslag aan de Preussische Akademie der Wissenschaften. Hij begaf zich naar de Duitse ambassade te Brussel om zijn Duitse nationaliteit
in te leveren terwijl hij zijn Zwitserse nationaliteit behield. Deze daden waren een
ware kaakslag in het gezicht van Duitsland. Zij beschuldigden hem ervan deel te nemen aan internationale propaganda tegen zijn vaderland. Einsteins houding kreeg
veel belangstelling in de Belgische en internationale pers. Hij werd daarmee het
boegbeeld van het verzet tegen het nazisme.
Op 30 mei 1933 reisde Einstein vanuit België naar het Verenigd Koninkrijk om enkele conferenties bij te wonen. Eind juni keerde hij naar België terug. Hij raakte
meteen betrokken bij een zeer gevoelige discussie over vrede en oorlog. Voor de
krijgsraad van Brabant verschenen op 19 juli twee soldaten die enkele maanden
daarvoor geweigerd hadden om voortaan nog dienst te doen. Een jonge pacifist, Alfred Nahon, nam het voor deze twee mannen op en rekende hiervoor op de steun van
Einstein wiens pacifistische overtuiging en connecties aan het koninklijke hof gekend
waren. Einstein herhaalde zijn standpunt dat de twee mannen niet als criminelen
mochten veroordeeld worden, maar na een gesprek met koning Albert, nuanceerde
hij zijn houding door te stellen dat België in het licht van de oorlogsdreiging van
nazi-Duitsland, wel een verdedigingsleger nodig had.
Eind juli 1933 verbleef Einstein opnieuw een week in Engeland. Einstein werd in
deze periode voortdurend benaderd door universiteiten en regeringen om hem ertoe te verleiden zich in hun land te vestigen. Einstein aarzelde. De nazi-moord
op professor Theodore Lessing op 31 augustus in Tjechoslovakije overtuigde hem
waarschijnlijk van het grote gevaar dat hij liep indien hij in België zou blijven. Het
gerucht deed ook de ronde dat er een prijs op zijn hoofd gezet was. Op 19 september vertrok hij in het diepste geheim vanuit Oostende naar Engeland. In oktober
reisde hij verder naar de Verenigde Staten waar hij met open armen werd ontvangen.
Einstein bleef relaties met België en het Belgisch koningshuis onderhouden. Op 2
augustus 1939 waarschuwde Einstein president Roosevelt voor het dreigende gevaar
van een Duitse atoombom en de strategische betekenis van (grote hoeveelheden)
uranium in Belgisch Congo. Men stelde hem voor om langs officieuze weg zijn contacten aan het Belgische Hof te gebruiken om de regering ervan te overtuigen dat
zij het uranium nooit aan Duitsland zou verkopen.
Einstein overleed op 18 april 1955 in Princeton. De brief die koningin Elisabeth
naar aanleiding van dit overlijden aan zijn stiefdochter Margot Einstein schreef,
maakt duidelijk dat de vriendschapsband tussen de koningin en de geleerde ook na
zijn vertrek uit België even intens gebleven was: le monde en deuil perd un grand
génie inspiré, une voix prophétique et un coeur irremplaçable. Moi je perds un si
cher et vieil ami.
Hoofdstuk 7
Einstein in kunst en als icoon
Zijn kunst en wetenschap (of iets breder, “alfa” en “beta”, zoals ze in het
jargon worden genoemd) twee verschillende werelden, die steeds verder
uit elkaar groeien? Dat is de kernvraag geworden sinds C.P. Snow bijna
een halve eeuw geleden een essay aan de kwestie wijdde: het debat rond
de “twee culturen”. Terwijl Snow pleitte voor wederzijdse kennis en de
noodzaak van dialoog beklemtoonde, gaan sommigen vandaag uit van de
overtuiging dat humanities en positieve wetenschappen elkaar nog weinig
te zeggen hebben en in elk geval elkaars “taal” niet meer spreken.
7.1
Kunst en wetenschap
Een dergelijke conclusie zou niet alleen jammer zijn, ze stemt ook weinig overeen
met wat de geschiedenis ons leert. Een figuur als Leonardo da Vinci, die geen
fundamenteel onderscheid maakte tussen zijn artistieke en zijn wetenschappelijke
activiteiten, blijft niet voor niets symbool staan voor de sterke wisselwerking tussen
de beide culturen. In de vele eeuwen na hem zijn er talloze voorbeelden geweest van
interactie tussen kunst en wetenschap, zoals bijvoorbeeld in het samenspel tussen
de verspreiding van het positivisme en die van de fotografie, waar in beide gevallen
een zelfde fascinatie voor de waarde van de “objectieve reproductie” van de werkelijkheid op de voorgrond treedt, of zoals in de opkomst van het impressionisme,
dat sterk beı̈nvloed is geweest door nieuwe ontdekkingen rond de samenstelling van
het licht en het effect dat complementaire kleuren op elkaar uitoefenen wanneer
ze naast of tegen elkaar door de kijker worden gepercipieerd. Maar ook vandaag
is er sterke interesse voor het spanningsveld en de wisselwerking tussen kunst en
wetenschap. Binnen de wetenschap is er aandacht voor input vanuit de kunst en
samenwerking met kunstenaars, wiens speciale zin voor creativiteit ook wetenschappers iets kan bijbrengen. Toch is het vooral binnen de kunst zelf dat er duidelijk
invloed te merken is van wetenschappelijke, of minstens populair-wetenschappelijke
inzichten. Een beweging als het surrealisme werd niet alleen door nieuwe evoluties
binnen de medische en psychiatrische wereld aangetrokken, vooral dan op het vlak
van de dromenanalyse van Freud; ook inzichten uit de natuurwetenschappen, vooral
dan rond thema’s als magnetisme en conceptualisering van tijd en ruimte, vonden
weerklank in het werk van André Breton of Salvador Dali (de lay-out van een van
de eerste surrealistische tijdschriften, La Révolution surréaliste, was trouwens een
expliciete kopie van een van de toonaangevende wetenschappelijke bladen uit die
jaren, La Nature).
7.2
Einstein en kunst
Als brug tussen de wetenschappelijke en de artistieke wereld is de invloed van Einstein een interessante casus. Er is over de relatie tussen Einstein en het artistieke
leven heel veel geschreven. Toch is het vooral over de hypotheses over de analogieën tussen zijn nieuwe kijk op tijd en ruimte en over het loslaten van het Westerse
perspectief in het kubisme, dat de meeste inkt is gevloeid. In heel wat publicaties
wordt er immers gesteld dat het kubisme direct beı̈nvloed zou zijn geweest door zijn
ideeën over tijd en ruimte. (Om die reden schuiven we het hier naar voor, hoewel
de invloed van Einstein ook in andere kunsttakken, zoals muziek, zeer snel aan de
orde is gesteld.) Een nauwkeuriger onderzoek van de geschiedenis van zowel het
kubisme als de verspreiding van Einsteins stellingen over relativiteit zet echter heel
wat kritische kanttekeningen bij dat verhaal.
Zo blijkt om te beginnen dat de kunstenaars van het begin van de eeuw weinig of
niets te maken hadden met Einsteins relativiteitstheorie maar dat er integendeel
wel een sterke impuls uitging van de toenmalige heel populaire speculaties over de
zogenaamde vierde dimensie. Einstein zelf poneerde herhaaldelijk dat de nieuwe
artistieke taal niets had te maken met de relativiteitstheorie.
De Engelse wiskundige Charles Howard Hinton speelde met zijn New Era of Thought
uit 1888 een grote rol in de brede verspreiding van het concept van de vierde dimensie. De vierde dimensie staat voor een gesloten, onbegrensde ruimte, waarin de tijd
niet meer bestaat. Deze vierde dimensie is visueel echter niet uit te beelden (wat
haar tezelfdertijd heel stimulerend maakt voor beeldend kunstenaars); het strijkt
zich niet uit over ruimte maar over tijd. Het werk van Howard stond aan de wieg
van een grote interesse voor dat concept. De fascinatie voor de vierde dimensie is te
wijten aan andere grote ontwikkelingen binnen de wetenschap vanaf de 19de eeuw.
De vierde dimensie sprak tot de verbeelding. Ze was iets mysterieus en vormde
om die reden de basis voor vele idealistische en mystiek-filosofische problemen en
systemen. In de eerste drie decennia van de 20ste eeuw was de idee van een vierde
dimensie ook sterk doorgedrongen in kunstenaarskringen en vooral bij de kubisten,
zoals beschreven in het baanbrekende werk van L.D. Henderson, The Fourth Dimension and Non-Euclidean Geometry in modern art (Princeton UP, 1983).
Waarom werden Einsteins revolutionaire inzichten zo langzaam opgenomen door de
kubisten? Ten eerste waren de Franse kubisten (en het kubisme was in de allereerste plaats een Franse beweging) amper op de hoogte van de contemporaine Duitse
wetenschap. Ook al werd Einstein in 1913 uitgenodigd in Parijs om een lezing te
houden voor de Société Française de Physique, hij bleef onbekend bij het grote publiek en ook bij de kunstenaars. Bovendien was het kubisme in 1913 zeker geen
nieuwe beweging meer en had het zijn programma al min of meer volgens vaste lijnen ontwikkeld. Ten tweede was er een groot gebrek aan wetenschappelijke teksten
in vertaling. Er was wel de invloed van de grote Franse wiskundige Henri Poincaré
die wel interesse had voor het concept van de vierde dimensie.
Wil dat zeggen dat er van Einsteins werk geen enkele invloed is uitgegaan op de
schilderkunst? Absoluut niet. Maar de invloed in kwestie kwam pas later, meer bepaald na het fotograferen van de zonsverduistering in mei 1919. Vanaf dat moment
begonnen de ideeën van Einstein ook in kunstenaarsmilieus door te sijpelen.
In zijn recentste boek, Einstein, Picasso: Space, Time and the Beauty that Causes
Havoc (Basic Books, 2001), stelt de wetenschapshistoricus Arthur Miller dat er wel
degelijk een link bestaat tussen Einstein en Picasso, zij het dan onrechtstreeks.
Hij poneert dat dat te vinden is via het werk van, opnieuw, Poincaré. Zowel Einstein
als Picasso werden volgens Miller beı̈nvloed door Poincaré’s “niet-euclidische” aanpak van de meetkunde en zijn voorspellingen rond gelijktijdigheid. Miller bekijkt
het kubisme als een soort onderzoeksprogramma waarin Picasso een nieuwe esthetica ontdekte: het reduceren van vormen tot geometrische voorstellingen. Enige
mentale analogieën zouden bij Einstein kunnen gevonden worden in de ontwikkeling van de relativiteitstheorie.
Sanford Kwinter daarentegen, een Amerikaanse filosoof die sterk beı̈nvloed is door
het postmoderne denken van Gilles Deleuze, stelt dat de ideeën van Einstein, nog
steeds op het vlak van de beeldende kunsten, niet tot uitdrukking komen in het
kubisme, maar wel in het futurisme. In zijn boek Architectures of Time (MIT,
2002), wil hij tijd en ruimte in de relativiteitstheorie analyseren en probeert hij
aan te tonen hoe de nieuwe ideeën werden gereflecteerd in o.a. de geschriften van
de futurist Boccioni en in het stadsplanningschema van de futuristische architect
Antonio Sant’Elia. De “nieuwe moderniteit” die de grenzen van de klassieke fysica
overschreed, lag aan de basis van het futurisme. Kwinter stelt bijvoorbeeld dat het
schema van Sant’Elia de eerste concrete esthetische expressie was van de nieuwe
noties van tijd en ruimte.
7.3
Einstein in kunst
Einstein is echter niet alleen een mogelijke inspiratiebron voor nieuwe vormen van
visualisering. Hij is ook zelf als personage nadrukkelijk aanwezig in de beeldende
kunst (en natuurlijk ook hier in andere kunsten, denk maar aan de minimalistische
opera van Philip Glass Einstein on the Beach), zeker in die vormen van kunst die
aansluiting zoeken bij de populaire cultuur. Toen Andy Warhol werd gevraagd de
belangrijkste man van de 20ste eeuw af te beelden, ging men er meteen van uit dat
hij Albert Einstein zou kiezen. Warhol koos uiteindelijk voor Mao (1973), die volgens hem op dat moment de populairste man van de vorige eeuw was. Einstein werd
uiteindelijk toch door Warhol afgebeeld, zij het dan in een ander context, namelijk
als één van de belangrijkste joden van de 20ste eeuw. Andere afgebeelde personen
in deze reeks zijn o.a. Franz Kafka, Sigmund Freud, George Gershwin. . . (de reeks
Ten Portraits of Jews of the Twentieth Century is van 1980).
Maar niet alleen binnen de pop art is de figuur, dat wil zeggen het portret, van
Einstein aanwezig. Ook in het werk van schilders die heel intensief en onderzoekend
de grenzen van hun medium onderzoeken, duikt Einstein op. Een goed voorbeeld
hiervan is Gerhard Richter, bij wie de vraag centraal staat hoe men nog kan schilderen in een tijd waar mechanische reproductieprocédés als fotografie alles lijken te
beheersen (zie Hilde Van Gelder, “De hedendaagse geleerde: een (on)mogelijke voorstelling? ”, uit Image (&) Narrative, n˚10, 2005). Deze kleine zwart-wit portretten
van zijn befaamde reeks 48 portraits (geschilderd in 1971-1972 en dat jaar tentoongesteld op de Biënnale van Venetië) zijn nageschilderde foto’s van beroemdheden,
waaronder Oscar Wilde, Franz Kafka en ook Albert Einstein. 48 Westerse, blanke,
mannelijke Europese en Amerikaanse intellectuelen (“genieën”?) in maatpak, in
overeenstemming met het gedachtegoed van die tijd. Richter beeldt de geleerden
niet afzonderlijk af, maar in een lange rij. Hierdoor wordt geen aura van exclusieve
geleerdheid toegekend, maar vallen de afgebeelde geleerden terug in de anonimiteit.
(Het spreekt voor zich dat het werk van Richter, zoals dat van vele kunstenaars,
sterk gefocust is op één enkel aspect van de representatie. De uitvergroting van
dit unieke aspect is dikwijls de voorwaarde voor het ontwikkelen van een kritisch
discours via het beeld, maar het geeft natuurlijk ook de beperkingen er van aan.)
De representatie van wetenschap en genialiteit onderging in de twintigste eeuw een
grondige verrandering. In de 19de en vroeg 20ste eeuw werd algemeen aangenomen
dat ‘een geleerde’, een blanke Westerse man was, in keurig maatpak met gesteven
witte boord en das of strik, die begiftigd was met een genetisch bepaalde genialiteit.
Omdat foto’s in die periode nog als een getrouwe weergave van de realiteit werden
beschouwd, werkte een foto van dergelijke geleerde als het ultieme bewijs van zijn
geleerdheid. De fotografische portretten namen daarbij de codes en conventies van
de geschilderde portretten over: Geleerden werden er vaak zijdelings en halflijfs afgebeeld en op voorname maar vooral geı̈dealiseerde wijze in beeld gebracht.
Dat veranderde met de opkomst van de fascistische en totalitaire regimes: figuren
als Stalin of Hitler werden ook afgebeeld volgens de codes van het geleerde portrettengenre. Men werd gevoeliger voor het feit dat ook foto’s konden liegen, via
diverse vormen van manipulatie voor de camera, tijdens het ontwikkelingsproces of
nog bij publicatie. Bovendien was mannelijke genialiteit niet langer zonder meer
synoniem voor goedheid; het werd ook geassocieerd met gevaar. Geleerden werden
dan ook niet langer automatisch op de traditionele manier afgebeeld en er kwam
veel aandacht voor de sociale en politieke implicaties van de manier waarop mensen
werden afgebeeld. De beelden van Richter zijn heel typisch voor deze tendens.
Aan de andere kant is het ook zo dat in de naoorlogse periode de traditionele
beelden wel overleven in een ander segment van de beeldproductie en de visuele
cultuur, namelijk in de massamedia. In de hedendaagse cultuur kan het belang van
de massamedia echter niet worden overschat. Vandaar het “koppige” overleven van
representatietechnieken die in de kunst zelf worden gecontesteerd en het blijvende
succes van bepaalde stereotiepen rond de voorstelling van geleerden.
7.4
Icoon van het intellect
De man die het meest heeft bijgedragen tot het beeld dat we vandaag van een geleerde hebben, is Albert Einstein, wiens fysieke verschijning zeer “fotogeniek” overkwam. Met zijn enorme wilde bos wit haar, borstelige snor en opvallende ogen had
hij de perfecte kop om uit te groeien tot de archetypische wetenschapper, tenminste
zoals de populaire cultuur en de massamedia zo’n personage graag zien. Het haar,
dat rond zijn hoofd hing als een aura van cerebraal licht (en waarvan het effect in dit
type afbeeldingen nog wordt versterkt door diverse technieken van clair-obscur en
achterwaartse belichting), was hem al voorgedaan door de 19de eeuwse astronoom
Sir John Herschel. Het gaf deze geleerde mannen een uitstraling van diepe wijsheid
(zie hierover Martin Kemp, ‘Icons of intellect’ in: Visualizations. The nature of
Art and Science. Oxford UP, 1997). In het geval van Einstein zou het natuurlijk
absurd zijn te stellen dat het universele succes van zijn afbeelding vooral te maken
zou hebben met zijn fotogenieke verschijning. De fundamentele impact van Einstein vloeit in de allereerste plaats voort uit de wetenschappelijke revolutie die hij
teweeg heeft gebracht en die ook en misschien zelfs vooral het niet-wetenschappelijk
gevormde publiek tot de verbeelding sprak. De ingrijpende manier waarop Einstein
fundamentale categorieën als tijd en ruimte of eindigheid en oneindigheid met rationele en wetenschappelijke argumenten onttrok aan de “common sense” van zijn
tijd, mag gerust worden vergeleken met de manier waarop het heliocentrisme van
Copernicus de fundamenten weghaalde van het denken van een hele cultuur over
de plaats van de mens in het heelal en bijgevolg, meer algemeen, over de zin van
het leven. De wetenschapper die aan deze thema’s raakt, hoe onbegrijpelijk zijn
theorieën voor de leek ook mogen zijn, kan niet anders dan diepe sporen nalaten in
het collectief bewustzijn van zijn tijd.
Een extra factor was ook de onconventionele manier waarop Einstein zich gedroeg.
Zijn ongekamde haren, zijn gewoonte geen kousen te dragen, zijn extreme eenvoud,
zijn scherpe humor, zijn gebrek aan ontzag voor elke vorm van autoriteit, zijn verzet
tegen het militarisme en patriottisme van zijn tijd, zelfs zijn jood zijn, versterk-
ten het beeld van het buiten-gewone genie, dat elk maatschappelijk referentiekader
oversteeg. Einstein behoorde tot geen enkele natie, geen enkele politieke partij. De
manier waarop hij over wetenschap sprak, leek op een dialoog tussen mens en God:
ik wil Gods gedachten kennen, de rest zijn details. Einstein was de gesprekspartner
van God, bijna met het statuut van een profeet. De vaak herhaalde verwijzingen
naar Copernicus en Newton, wiens werk hij had verbeterd en voortgezet, plaatsten
hem buiten de tijd. Dat tijdloze en onconventionele werd vooral benadrukt na 1933
toen Einstein als grijze, wijze man in Princeton woonde. De bekende foto van de
zeventigjarige Einstein die zijn tong uitsteekt naar een opdringerige fotograaf (genomen na afloop van een vermoeiend verjaardagsfeest) is meer dan een lucky shot. De
enorme respons die deze foto uitlokte, toont aan hoe het publiek Einstein wilde zien.
Net voor de grote doorbraak van Einstein als mediafiguur was het beeld van de
wetenschapper niet louter positief. Naast verering voor pioniers en weldoeners als
een Louis Pasteur, begon er onder invloed van de voorthollende modernisering en
machinisering ook een donkere, negatieve perceptie van wetenschappers op te treden. Vooral het gebruik van de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki bracht
een protestbeweging op gang, die zich openlijk vragen stelde over de morele verantwoordelijkheidszin van wetenschappers en het nodig vond om het toegepastwetenschappelijk wapenonderzoek een halt toe te roepen. Alhoewel Einstein en
zijn E=mc2 zonder de ideeën voor een gecontroleerde nucleaire kettingreactie geen
absoluut cruciale rol speelden bij het ontketenen van atoomenergie, werd Einstein
in de jaren ’50 in sommige middens wel eens voorgesteld als de vader van het atoomtijdperk, wiens genialiteit was gebruikt voor tragische doeleinden. Naderhand zal
dit negatieve beeld echter opnieuw plaats maken voor een positiever, maar jammer genoeg zeer stereotiep beeld. De manier waarop Einstein wordt afgebeeld in
de massamedia vertoont immers weinig diepgang. Zijn kennis en verworvenheden
worden nog steeds bejubeld, tot ver buiten de fysica. Einstein sierde heel wat tijdschriftencovers, waaronder die van Trends en Time. Door die laatste werd hij in
2000 zelfs verkozen tot “Person of The Century”. Prettig om te weten is ook dat de
kleine groene Yoda uit “Star Wars” zijn look te danken zou hebben aan Einstein.
De 900 jaar oude Jedi Master kreeg de intelligente trekken van Einstein mee, zodat
hij er geleerd en wijs uitzag!?
Toch is de afbeelding van de wetenschapper in de hedendaagse populaire cultuur
en de moderne massamedia niet zomaar een kopie van verouderde 19de eeuwse
modellen maar de verschillen zijn minder frappant dan men op het eerste gezicht
zou kunnen denken. Een aantal fundamentele mythes rond intellect en genialiteit
werken immers nog steeds door. Bij de wetenschappers van vandaag lijkt vooral
Stephen Hawking, professor fysica in Cambridge, goed op weg om een nieuw icoon
te worden. Bij hem spreekt net het contrast tussen zijn alom geroemde geniale brein
en zijn fysieke gebrek – Hawking is door een zenuwziekte haast volledig verlamd –
tot de verbeelding. Hawkings portret lijkt natuurlijk niet op dat van Einstein en
de vroegere “genieën”, maar het idee van genialiteit dat er achter zit (en dat niet
overeenkomt met de moderne, collectieve manier van werken van wetenschappers)
blijft als mythe volledig overeind. Bij Hawking geldt dat hij door zijn handicap
zichtbaar gedistantieerd is van de gewone sterveling. Ook op hem lijken de maatschappelijke normen niet zonder meer van toepassing. Hawking werd al meermaals
gebruikt in de populaire cultuur, zo was hij ondermeer te zien in de tekenfilmserie “The Simpsons”. Voorlopig blijft echter Einstein als icoon van de wetenschap
ongenaakbaar overeind.
Hoofdstuk 8
Biografische gegevens van Einstein
Albert Einstein wordt geboren te Ulm, op 14 maart 1879 als eerste kind in een modaal Duits-joods gezin. Zijn vader werkt in een matrassenbedrijf maar wordt kort
daarna partner in het elektrotechnische bedrijf van zijn broer te München, zodat
de familie in 1880 naar daar verhuist. In 1881 wordt zijn zus Maja geboren, andere
kinderen komen er niet.
Zijn moeder speelt goed klavier en Albert zelf zou vioolles volgen vanaf zijn zesde
jaar; heel zijn leven zou zijn viool hem begeleiden. Hij volgt, zoals iedereen, de
“Volksschule” en daarna (vanaf 1888) het Luitpold gymnasium. Er wordt verteld
dat hij vrij laat vlot leerde spreken en lezen. Op school is hij een stille jongen,
een beetje traag maar een zeer goede leerling. Thuis vindt hij een stimulerende
omgeving, met zijn oom-ingenieur die hem wiskundeopgaven geeft en een jonge
huisvriend, Max Talmud, die hem voorziet van populair wetenschappelijke werken
en urenlang discuteert over weten en wetenschap. Hij is gefascineerd door een boek
over meetkunde en studeert zelf differentiaal- en integraalrekening. Op het gymnasium haalt hij goede uitslagen maar de opgelegde discipline-om-de-discipline valt
hem erg tegen.
Het ouderlijk bedrijf doet slechte zaken in Duitsland. De Italiaanse markt lijkt
beter zodat de Einsteins een nieuw bedrijf oprichten in Pavia in 1885. Ouders en
zus gaan naar Italië terwijl Albert alleen blijft te München om het gymnasium af
te werken. In 1895 schrijft Einstein zijn eerste wetenschappelijk opstel, opgestuurd
aan zijn oom Caesar Koch in Antwerpen; over het gedrag van de ether in een magneetveld. Het leven alleen bevalt hem slecht, hij wordt depressief en zijn afkeer voor
de dreigende militaire dienst doet hem besluiten, zolang het nog kan, ook naar Pavia te gaan. Zonder diploma dus. Zijn plan is zijn Duitse nationaliteit te verzaken,
te gaan studeren in Zwitserland aan de befaamde “Eidgenossische Technische Hochschule” (ETH) te Zürich en leraar te worden. Die technische universiteit verlangt
echter een ingangsexamen van studenten zonder Zwitsers diploma. Albert studeert
alleen in Pavia, doet het examen in de herfst 1895, krijgt goede punten voor de
wiskundige en wetenschapsvakken doch niet voor de andere en zakt.
Hij vindt een uitweg: hij gaat de “Kantonsschule” te Aarau volgen, een kleine Zwitserse stad ten westen van Zürich. Hij is kostganger bij de directeur, vindt er een
grote hartelijkheid en een school die oneindig menselijker is dan het Münchense
gymnasium. Hij bloeit open en behaalt met glans zijn diploma secondair onderwijs
(“Matura”) in 1896. Zijn Duitse nationaliteit zegt hij op.
Van 1897 tot 1900 is hij student te Zürich; hij maakt er vrienden voor het leven
en studeert op zijn eigenzinnige manier: zich inleven in wat interessant is, er met
anderen over discuteren en lessen en practica die niets bijbrengen verzuimen. Hij
stelt aan de prof van experimentele fysica voor een experiment te beginnen over de
etherwind; de man is niet ingenomen met zo’n onafhankelijke geest en zal weigeren
hem als assistent te nemen. Zo is Einstein gediplomeerd, getalenteerd en werkloos.
Hij vindt tijdelijke aanstellingen als leraar te Winterthur en Schaffhausen en geeft
ook nog privaatles. Ondertussen neemt hij de Zwitserse nationaliteit aan.
In 1902 wordt hij, mede op voorspraak van de vader van een vriend, op proef aangenomen in het Zwitsers patentbureau te Bern. In 1904 wordt hij vast benoemd en
in 1906 bevorderd. Hij blijkt een gewaardeerd technisch expert te zijn geweest.
Tussen 1897 en 1905 lopen er twee verhaallijnen in de biografie: het voortdurende
nadenken en spreken over de knelpunten van de fysica, wat Einstein al in 1901 zijn
eerste gepubliceerd artikel oplevert, en zijn verhouding met Mileva Marić, de enige
vrouwelijke studente in zijn jaar aan de ETH en van Servische afkomst. Ze krijgen
een dochter die vermoedelijk wordt afgestaan ter adoptie. Ze huwen in 1903 tegen
de zin van de ouders Einstein, en krijgen twee zonen. Het huwelijk houdt niet lang
stand. Als Einstein in 1914 naar Berlijn verhuist, komen Mileva en de kinderen
na enkele weken terug naar Zürich. De echtscheiding wordt uitgesproken in 1919.
Tijdens een ziekte in Berlijn wordt hij verzorgd door zijn nicht Elsa Einstein, die
hij huwt in 1919.
1905 is Einsteins wonderjaar waar hij beslissend bijdraagt tot, zo niet de basis legt
voor drie pijlers van de hedendaagse fysica (zie verder in deze gids). De officiële
erkenning laat echter op zicht wachten. De eerste verbetering in zijn loopbaan komt
er in 1908 wanneer de universiteit van Bern hem, op zijn aanvraag, aanvaardt als
“Privat Dozent” (lector). Een jaar later verlaat hij het patentbureau en wordt geassocieerd hoogleraar aan de universiteit van Zürich. Hij raakt bekend, publiceert
verder opmerkelijke artikels, (o.a. over de equivalentie van versnelling en gravitatie), spreekt op congressen en wordt benoemd in 1911 als gewoon hoogleraar aan de
Duitse universiteit te Praag. In 1912 is hij terug in Zürich waar hij een aanbieding
van de ETH aanvaardt. In 1913 komen twee van de meest vooraanstaande fysici,
Planck en Nernst, uit Berlijn naar Zürich met een aanlokkelijk voorstel: lid worden
van de Pruisische Akademie, hoogleraar zonder lesverplichting aan de universiteit
en directeur van het nieuw op te richten onderzoeksinstituut voor fysica.
Even voor de eerste wereldoorlog in 1914 begint Einstein aan een nieuw leven in
Berlijn. De oorlogsperiode was een zeer productieve tijd voor Einstein, waar hij o.a.
de algemene relativiteitstheorie ontwerpt, vernieuwende inzichten in de stralingstheorie brengt en begint met kosmologische problemen en gravitatiegolven. Daarnaast
zet hij zich ook voor zijn maatschappelijke idealen. Terwijl de meerderheid van
de Duitse professoren het oorlogsgeweld in het belang van Duitsland goedkeurt,
distantieert Einstein zich hiervan. Hij wordt lid van de pacifistische partij “Bund
Neues Vaterland” .
1919 is het jaar waar Einsteins naam overal bekend geraakt: bij een zonsverduistering werd de afbuiging van sterrenlicht door de zon waargenomen, een cruciale
voorspelling van zijn theorie. Zijn leven verandert: enerzijds wordt hij de volgende
jaren overal uitgenodigd – tijdens zijn verblijf in Japan in 1922 verneemt hij de toekenning van de Nobelprijs – anderzijds manifesteren antisemitische groeperingen in
Berlijn tegen de relativiteitstheorie. Einstein neemt actief deel in de Verenigde Staten aan fondsenwerving voor de Hebreeuwse universiteit in Jerusalem. In 1925 stelt
de Duitse minister van cultuur dat Einstein als lid van de academie terug Duitser
geworden is, waarmee Einstein instemt.
Toch is het moeilijk werken in de eerste jaren na de oorlog. De meeste geallieerde
landen kondigen een boycot af tegen de Duitse wetenschap. Duitse geleerden zijn
niet meer welkom op internationale congressen. Einstein, die al tijdens de oorlog
een pacifistische houding had aangenomen, mag wel komen, maar hij weigert omdat hij meent dat wetenschap en politiek niet mogen gemengd worden. Pas in 1927
komt er een einde aan de boycot.
Op het Solvay-congres van 1927 in Brussel is hij een gevierde gast. Hij treedt er
in levendige discussies, vooral met Bohr, over de betekenis van de kwantumtheorie.
Zijn eigen onderzoek gaat een andere kant uit: hij poogt langs nieuwe meetkundige
wegen relativiteit en kwanta te verzoenen. Hij wordt meer en meer beroemd, doch
wetenschappelijk meer en meer geı̈soleerd.
In 1933 komt Hitler aan de macht. Einstein bevindt zich op dat ogenblik op rondreis
in de Verenigde Staten. Einsteins zomerverblijf in Caputh wordt doorzocht naar
verborgen wapens. Al zijn bezittingen worden in beslag genomen. Einstein zal
nooit meer terugkeren naar Duitsland en verblijft eerst enkele maanden in België;
van hieruit neemt hij ontslag uit de Pruisische Akademie en verzaakt hij aan de
Duitse nationaliteit. Hij reist terug naar de Verenigde Staten waar hij lid wordt
van het nieuw opgerichte “Institute for Advanced Study” te Princeton. Hij zal de
Verenigde Staten niet meer verlaten. In 1936 overlijdt zijn vrouw Elsa. In 1939
komt zijn zus Maja bij hem wonen.
In 1939 overtuigen twee jonge atoomfysici, Wigner en Szilard, Einstein een brief aan
president Roosevelt te schrijven om hem te wijzen op het belang van uranium en
op de mogelijkheid hiermee een atoombom te maken. Dit is de aanzet geweest tot
de start van het Manhattan project, waaraan Einstein echter niet effectief deelnam.
In 1940 wordt hij Amerikaans staatsburger.
In de jaren na de oorlog ijvert Einstein, die ook daarvoor het zionisme had ondersteund, voor een Israëlische staat. Het presidentschap van Israël wordt hem
aangeboden, maar hij weigert. Ook schrijft of ondertekent hij verschillende manifesten voor de vrede en tegen de atoomwedloop.
Hij overlijdt te Princeton op 18 april 1955.
Nawoord
Er is reeds ontzettend veel geschreven over het werk, het leven en de invloed van
Albert Einstein. Er zijn echter een aantal facetten aan de tentoonstelling die ons
eerder uniek lijken. Er is natuurlijk reeds het thema van “... de rest zijn details”
dat we op verschillende manieren in de tentoonstelling hebben uitgewerkt. Er is
verder de unieke relatie die Einstein onderhield met België en met de koninklijke
familie. Zijn verblijf in de Haan was helemaal geen detail maar kwam op een
cruciaal moment in het leven van Einstein. Tenslotte is er naar aanleiding van de
tentoonstelling een allereerste Nederlandse vertaling gemaakt van de vier publicaties
uit 1905 in de Annalen der Physik. Dat is het werk van Prof. F. Cerulus die daarmee
een blijvende bijdrage levert aan de wetenschappelijke cultuur in de lage landen.
Die vertaling kan opgeladen worden vanuit de webpagina
http://fysica2005.kuleuven.be
en verschijnt ook binnen een speciale uitgave van Physicalia-magazine verzorgd door
de Belgische Natuurkundige Vereniging.
Hebt u nog verdere vragen of wilt u meer lezen over een bepaald onderwerp? Graag
horen we ook uw reacties op de tentoonstelling en op deze gids. Al uw vragen,
suggesties of opmerkingen worden vriendelijk verwacht op:
[email protected]
Hartelijk dank.

Tentoonstellingsgids - Departement Natuurkunde en Sterrenkunde

Related documents

Products

Support

Tentoonstellingsgids - Departement Natuurkunde en Sterrenkunde

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib