Streven. Jaargang 8

[p. 453]

Wetenschappelijke kroniek
Einstein's ontdekkingen
door Prof. Dr Louis P. Bouckaert

IN de eerste helft van onze eeuw heeft de natuurkunde een grote ontwikkeling gekend. Deze ontwikkeling bleef voor een deel de klassieke lijnen volgen, die de natuurkunde in de vroegere eeuwen beheersten; maar heeft voor een ander deel met vele klassieke begrippen gebroken. Deze twee aspecten van de hedendaagse natuurkunde hebben veel aan de scheppende geest van Albert Einstein te danken. De bijdragen van Einstein tot de grondslagen der natuurkunde waren zo belangrijk, dat men reeds gedurende zijn leven geneigd was, hem als een historische figuur naast Newton en naast Maxwell te stellen. Daar hij zelf, op het einde van zijn leven, afzijdig stond tegenover de opvattingen die bij de natuurkundigen de grootste bijval genoten, scheen hij reeds een plaats in te nemen onder zijn voorgangers.

Onze eeuw had uit de vroegere tijden het vraagstuk der absolute beweging overgeërfd. De beweging van een punt wordt beschreven ten opzichte van de ligging van andere lichamen: de beweging van de aarde wordt beschreven t.o.v. het zonnestelsel, de beweging van een trein t.o.v. de vaste grond, en de beweging van een reiziger in de trein t.o.v. deze trein. Iedere beweging wordt dus beschreven t.o.v. een assenstelsel. Nu werd de vraag gesteld naar een assenstelsel dat absoluut onbewegelijk blijft. Sedert de 17e eeuw weet men dat de mechanica op deze vraag naar een absoluut ‘rustend’ beschrijvingsraam, geen antwoord kan geven. De beweging van een stoffelijk punt verloopt op dezelfde manier wanneer deze beweging wordt uitgedrukt hetzij t.o.v. een ‘rustend’ assenstelsel, hetzij t.o.v. een assenstelsel dat zich zonder wenteling rechtlijnig voortbeweegt. Wanneer een trein met constante snelheid een rechte baan volgt, wandelt een reiziger in de trein net als op de vaste grond.

Men had dan gehoopt dat de optica de weg zou wijzen naar een absoluut rustend beschrijvingsraam. Men stelde zich vroeger het licht voor als een opeenvolging van golven, die zich voortplanten in een onbewegelijke middenstof, de ether. Lichtgolven moeten zich door de ether voortbewegen, zoals de golven op de oppervlakte van een rivier. Wanneer de rivier voorbijstroomt, lopen de golven met grotere snelheid stroomafwaarts dan stroomopwaarts; het verschil van beide snelheden stelt ons in staat de snelheid van het water te berekenen. Men hoopte dus dat een verschil in de voortplantingssnelheid der lichtgolven de absolute beweging van de ether zou aangeven. Nauwkeurige metingen van Michelson en Moreley toonden echter aan dat het licht zich naar alle richtingen voortplant met dezelfde snelheid. Het bestaan van een absoluut ‘rustende’ ether kon door deze proeven niet geobserveerd worden zodat de theorie der lichtgolven moest worden herzien.

De verdienste van Einstein is het geweest, de begrippen van ruimte en tijd opnieuw te onderzoeken, naar aanleiding van deze moeilijkheden. De plaats van

[p. 454]

een punt wordt door maatstaven bepaald, ten opzichte van een beschrijvingsraam. De tijd van een gebeurtenis wordt in dit beschrijvingsraam bepaald door een klok, die in de nabijheid van deze gebeurtenis gelegen is. Om al de klokken van een beschrijvingsraam te synchroniseren zal men op een bepaald ogenblik, van uit een bepaalde klok, lichtsignalen zenden naar al de andere klokken van het beschrijvingsraam, en veronderstellen dat in alle richtingen deze lichtsignalen met dezelfde snelheid vooruitgaan. Door de maatstaven en de klokken van dit beschrijvingsraam wordt dan de plaats en de tijd van iedere gebeurtenis beschreven. Wanneer een ander beschrijvingsraam beschouwd wordt, dat met een bepaalde snelheid t.o.v. het eerste beschrijvingsraam voorbijvliegt, kan men nogmaals in dit nieuw stelsel door maatstaven de plaatsen bepalen en door lichtsignalen de klokken regelen. Het is nochtans niet nodig te veronderstellen dat deze twee klokkenregelingen overeenstemmen. Twee gebeurtenissen worden in een bepaald beschrijvingsraam als getijktijdig beschouwd, wanneer de klokken van het beschrijvingsraam die in de nabijheid van deze gebeurtenissen gelegen zijn, op hetzelfde uur wijzen. Over het algemeen zullen de klokken van het tweede stelsel, die in de nabijheid dezer gebeurtenissen liggen, niet meer hetzelfde uur aangeven. De gelijktijdigheid van twee gebeurtenissen houdt dus verband met het beschrijvingsraam in hetwelke deze gebeurtenissen beschreven worden:

Gelijktijdigheid is een relatief begrip

Vanuit dit uitgangspunt kon Einstein de bewegingsvergelijkingen der mechanica opnieuw onderzoeken. De vroegere bewegingsvergelijkingen moeten in een bepaalde mate gewijzigd worden. Die wijziging hangt af van de snelheid der zich bewegende deeltjes. Proeven met snelle deeltjes, later met de hulp van cyclotronen uitgevoerd, hebben deze nieuwe bewegingswetten bevestigd. Aan ieder stoffelijk punt wordt door de mechanica een bepaald getal, de massa, toegekend. Dit getal geeft de maat aan van de moeilijkheid waarmee dit stoffelijk punt versneld wordt, en drukt de traagheid der materie uit. Uit het nieuw onderzoek der bewegingswetten volgt nu dat een stoffelijk punt een deel van zijn massa kan verliezen, maar dat deze massa dan in energie wordt omgezet, volgens de wet E = mc². Deze omzetting van massa in energie is een der hoofdwetten van de kernphysica.

Een der raadselen van de natuurkunde is de evenredigheid van het gewicht van een lichaam met zijn massa. Het gewicht is een kracht, terwijl de massa een maat van de traagheid is. De meeste krachten delen deze eigenschap van de zwaartekracht niet. De electrische aantrekkingskracht, die op een geladen deeltje ingrijpt, is niet aan de massa van dit deeltje gebonden. Slechts enkele krachten - b.v. de traagheidskracht of de middelpuntvliedende kracht, die van de keuze van het beschrijvingsraam afhangen - zijn met de massa evenredig. Einstein heeft ingezien dat de evenredigheid van gewicht en massa op dezelfde wijze moet verklaard worden. Deze verklaring wordt gegeven in de algemene relativiteitsleer.

Naast de moeilijkheden in verband met de absolute beweging, was er, in het begin van onze eeuw, in de natuurkunde, een ander, niet minder groot probleem gerezen. De wetten die theoretisch afgeleid waren om de stralingsenergie te beschrijven, stonden in grove tegenspraak met de meest elementaire waarnemingen. Wanneer de wanden van een kamer op een bepaalde temperatuur gebracht

[p. 455]

worden, stralen deze wanden energie uit en nemen ook energie op. De straling die de kamer vult kan ontbonden worden in staande golven van verschillende frequenties: straling van hoge frequentie wordt waargenomen als blauw licht terwijl de straling van lage frequentie waargenomen wordt als rood licht. Als de wanden van de kamer warm zijn, wordt voornamelijk rood licht uitgestraald, terwijl zeer hete wanden blauw licht uitstralen. Doch de berekeningen van Rayleigh en Jeans kwamen tot het onaanvaardbare resultaat dat bij iedere temperatuur van de wanden de hoge frequentie en dus de blauwe kleur moesten overheersen. Max Planck kon in 1901 een wet afleiden die met de waargenomen feiten overeenstemt. Planck veronderstelde dat de energie van iedere staande golf in de kamer een geheel veelvoud is van het product der frequentie v met een constant getal h: E = hv. Einstein onderzocht de wet van Planck, en kwam tot het volgend besluit: in een klein volume van een stralingsveld varieert de energie als bestond ze uit korrels of ‘quanta’ met de waarde hv. Het licht schijnt dus uit lichtdeeltjes te bestaan.

Dank zij deze begrippen kon Einstein de verklaring geven van een welbekend verschijnsel: het photoëlectrisch effect. Wanneer sommige metaalplaatjes met licht bestraald worden, springen electronen uit het metaal. De snelheid der electronen is niet afhankelijk van de intensiteit, maar wel van de kleur van het licht: rood licht deelt aan de electronen minder snelheid mee dan blauw licht. Einstein zag in dat de energie hv van een lichtdeeltje gebruikt wordt om de electronen van het metaal te bevrijden, en de vrijgemaakte electronen te versnellen. De kinetische energie van het bevrijde electron is gelijk aan het verschil tussen de energie van het lichtdeeltje en de energie die verbruikt wordt om het electron van het metaal los te rukken. Hier moet opgemerkt worden dat Einstein in hetzelfde jaar 1905 de ophefmakende artikels over de beperkte relativiteitstheorie en over de verklaring van het photoëlectrisch effect schreef.

Steeds bleef hij belang stellen in de stralingstheorie. Enkele jaren later toonde hij aan dat de stralingswet van Planck slechts kon begrepen worden door te veronderstellen dat de absorptie van licht door een atoom afhangt van de aanwezige energie van het stralingsveld. De emissie van licht door een atoom daarentegen, is ten dele afhankelijk van de aanwezige stralingsenergie en ten dele spontaan.

Door zijn werk op het gebied van de stralingstheorie, was Einstein de eerste die er op wees, dat sommige eigenschappen van het licht aan het golvenbeeld verbonden zijn, terwijl voor andere eigenschappen het licht beter met het corpusculair beeld overeenstemt: licht moet tegelijkertijd als een golf en als een verzameling deeltjes worden beschouwd. Rond 1924 werd het duidelijk, door het werk van de Broglie, Schroedinger en Heisenberg, dat niet alleen het licht, maar dat ook de electronen door deze twee eigenschappen worden gekenmerkt. In sommige proeven gedragen electronen zich als deeltjes die een massa en een lading dragen; in andere proeven, als golven die een deel van de ruimte vullen en met elkander interfereren. Om deze twee voorstellingen te verzoenen, werd door Born een statistische interpretatie van de golftheorie gegeven. Waar een golf verschillend is van nul, kan het gebeuren dat in een proef een deeltje gevonden wordt, maar het kan ook gebeuren dat geen deeltje gevonden wordt. Wanneer een proef op een bepaalde wijze wordt uitgevoerd, wordt het deeltje, dat in de proef optreedt, door een bepaalde golfverdeling beschreven; wordt dezelfde proef een groot aantal keren herhaald, dan is de waarschijnlijkheid een

[p. 456]

deeltje in de omgeving van een bepaalde plaats te vinden, evenredig met de intensiteit van de golfverdeling rond dit punt. Deze opvatting verzaakt aan een deel van het determinisme van de klassieke natuurkunde. Einstein heeft, tegen de opinie van de meesten zijner tijdgenoten in, dit determinisme niet willen opgeven. Al scheen hem de golfmechanica juist, voor de kennis die ze ons brengt, toch scheen hem de beschrijving van de werkelijkheid die door deze methode gegeven wordt, onvolledig. Indien twee proeven, die met dezelfde golfverdeling overeenstemmen, verschillende uitslagen geven, dan was Einstein overtuigd dat deze systemen van elkander verschillen, door kenmerken die niet opgenomen worden in de golfverdeling. Al kende hij de opvattingen zijner tegenstanders, en al wist hij dat de meeste physici zijn eigen opvattingen als verouderd beschouwden, toch wilde hij zich niet tevreden verklaren met een theorie die hem moeilijkheden scheen op te leveren. De intellectuele eerlijkheid die hij in deze discussie aan de dag legde doet hem grote eer aan.

Reeds lang had Einstein gebroken met het positivisme dat grote bijval kende in de wetenschappelijke wereld, en volgens hetwelk de wetenschap geen andere rol te vervullen heeft dan een beschrijving te leveren van de uitslagen onzer waarnemingen. Sprekende over E. Mach, die een der voornaamste vertegenwoordigers der neo-positivistische school van Wenen was, verklaarde Einstein: ‘Hij heeft niet juist in het licht gesteld dat de natuur van alle denken en bijzonder van het wetenschappelijk denken in wezen constructief en speculatief is; ingevolge daarvan heeft hij de theoretische verklaringen juist daar veroordeeld waar hun constructief en speculatief karakter duidelijk naar voren komt, b.v. in de kinetische atoomtheorie’.