Hoe Albert Einstein vocht voor Europese vrede en theoretische fysica

2024 Auteur: Malcolm Clapton | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 04:06

Over hoe wetenschap nauw verweven was met politiek.

Helemaal aan het begin van de twintigste eeuw werden in de natuurkunde kolossale ontdekkingen gedaan, waarvan een aantal toebehoorde aan Albert Einstein, de bedenker van de algemene relativiteitstheorie.

Wetenschappers stonden aan de vooravond van een geheel nieuwe kijk op het heelal, waarvoor ze intellectuele moed, een bereidheid om zich in theorie onder te dompelen en vaardigheden in het omgaan met een complex wiskundig apparaat nodig hadden. De uitdaging werd niet door iedereen aanvaard en, zoals soms gebeurt, werden wetenschappelijke meningsverschillen toegevoegd aan politieke meningsverschillen die eerst waren veroorzaakt door de Eerste Wereldoorlog en vervolgens door het aan de macht komen van Hitler in Duitsland. Einstein was ook een sleutelfiguur waaromheen speren braken.

Einstein tegen iedereen

Het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog ging gepaard met een patriottische opleving onder de bevolking van de deelnemende staten, waaronder wetenschappers.

In Duitsland publiceerden 93 wetenschappers en culturele figuren, waaronder Max Planck, Fritz Haber en Wilhelm Roentgen, in 1914 een manifest waarin ze hun volledige steun betuigden aan de staat en de oorlog die deze voert: “Wij, vertegenwoordigers van de Duitse wetenschap en kunst, protesteren voordat de hele culturele wereld tegen de leugens en laster waarmee onze vijanden de rechtvaardige zaak van Duitsland proberen te vervuilen in de harde strijd om het bestaan die haar wordt opgelegd. Zonder het Duitse militarisme zou de Duitse cultuur bij het begin al lang geleden zijn vernietigd. Het Duitse militarisme is een product van de Duitse cultuur en is ontstaan in een land dat, als geen ander land ter wereld, al eeuwenlang te maken heeft met roofovervallen."

Toch was er een Duitse wetenschapper die zich fel uitsprak tegen dergelijke ideeën. Albert Einstein publiceerde in 1915 een reactiemanifest "Aan de Europeanen": "Nooit eerder heeft oorlog de interactie tussen culturen zo verstoord. Het is de plicht van Europeanen, opgeleid en van goede wil, om Europa niet te laten bezwijken." Deze oproep werd echter, naast Einstein zelf, door slechts drie mensen ondertekend.

Einstein werd vrij recent een Duitse wetenschapper, hoewel hij in Duitsland werd geboren. Hij studeerde af aan school en universiteit in Zwitserland, en daarna weigerden verschillende universiteiten in Europa hem bijna tien jaar lang in dienst te nemen. Dit kwam mede door de manier waarop Einstein het verzoek benaderde om zijn kandidatuur in overweging te nemen.

Dus in een brief aan Paul Drude, de maker van de elektronische theorie van metalen, wees hij eerst op twee fouten in zijn theorie, en vroeg toen pas om aangenomen te worden.

Als gevolg hiervan moest Einstein een baan krijgen bij het Zwitserse octrooibureau in Bern, en pas aan het einde van 1909 kon hij een baan krijgen aan de universiteit van Zürich. En al in 1913 kwam Max Planck zelf, samen met de toekomstige Nobelprijswinnaar voor scheikunde Walter Nernst, persoonlijk naar Zürich om Einstein over te halen het Duitse staatsburgerschap te aanvaarden, naar Berlijn te verhuizen en lid te worden van de Pruisische Academie van Wetenschappen en directeur van het Instituut van Natuurkunde.

Einstein vond zijn werk bij het octrooibureau wetenschappelijk gezien verbazingwekkend productief. "Als er iemand langskwam, stopte ik mijn aantekeningen in een la en deed alsof ik octrooiwerk deed", herinnert hij zich. Het jaar 1905 ging de geschiedenis van de wetenschap in als annus mirabilis, 'het jaar van wonderen'.

Dit jaar publiceerde het tijdschrift Annalen der Physik vier artikelen van Einstein, waarin hij de Brownse beweging theoretisch kon beschrijven, uitleggen, met behulp van het Planckiaanse idee van lichtquanta, het foto-effect, of het effect van elektronen die ontsnappen uit een metaal wanneer het wordt bestraald met licht (in zo'n experiment ontdekte JJ Thomson het elektron), en levert een beslissende bijdrage aan de totstandkoming van de speciale relativiteitstheorie.

Een verbazingwekkend toeval: de relativiteitstheorie verscheen bijna gelijktijdig met de quantatheorie en veranderde net zo onverwacht en onherroepelijk de fundamenten van de natuurkunde.

In de 19e eeuw was het golfkarakter van licht stevig verankerd en wetenschappers waren geïnteresseerd in hoe de substantie waarin deze golven zich voortplanten, is gerangschikt.

Ondanks het feit dat nog niemand de ether (dit is de naam van deze stof) rechtstreeks heeft waargenomen, ontstond er geen twijfel dat deze bestaat en het hele universum doordringt: het was duidelijk dat de golf zich zou moeten voortplanten in een soort elastisch medium, analoog aan cirkels van een steen die op het water wordt gegooid: het wateroppervlak op het punt van vallen van de steen begint te oscilleren, en omdat het elastisch is, worden de oscillaties overgebracht naar aangrenzende punten, van hen naar aangrenzende punten, en zo Aan. Na de ontdekking van atomen en elektronen verbaasde ook niemand zich over het bestaan van fysieke objecten die met de bestaande instrumenten niet te zien zijn.

Een van de simpele vragen waarop de klassieke natuurkunde geen antwoord kon vinden, was deze: wordt de ether meegevoerd door lichamen die erin bewegen? Tegen het einde van de 19e eeuw toonden sommige experimenten overtuigend aan dat de ether volledig werd meegesleurd door bewegende lichamen, terwijl andere, en niet minder overtuigend, dat het slechts gedeeltelijk werd meegesleurd.

Cirkels op het water zijn een voorbeeld van een golf in een elastisch medium. Als het bewegende lichaam de ether niet meeneemt, dan is de lichtsnelheid ten opzichte van het lichaam de som van de lichtsnelheid ten opzichte van de ether en de snelheid van het lichaam zelf. Als het de ether volledig meevoert (zoals gebeurt bij het bewegen in een stroperige vloeistof), dan zal de lichtsnelheid ten opzichte van het lichaam gelijk zijn aan de lichtsnelheid ten opzichte van de ether en zal deze op geen enkele manier afhangen van de snelheid van de lichaam zelf.

De Franse natuurkundige Louis Fizeau toonde in 1851 aan dat de ether gedeeltelijk wordt meegevoerd door de bewegende waterstroom. In een reeks experimenten van 1880-1887 bevestigden de Amerikanen Albert Michelson en Edward Morley enerzijds de conclusie van Fizeau met een grotere nauwkeurigheid, en anderzijds ontdekten ze dat de aarde, die rond de zon draait, volledig meesleurt de ether mee, dat wil zeggen de snelheid van het licht op de aarde is onafhankelijk van hoe ze beweegt.

Om te bepalen hoe de aarde beweegt ten opzichte van de ether, construeerden Michelson en Morley een speciaal instrument, een interferometer (zie onderstaande afbeelding). Het licht van de bron valt op de halftransparante plaat, van waaruit het gedeeltelijk wordt gereflecteerd in de spiegel 1 en gedeeltelijk naar de spiegel 2 gaat (de spiegels bevinden zich op dezelfde afstand van de plaat). De door de spiegels weerkaatste stralen vallen dan weer op de halftransparante plaat en komen van daaruit samen bij de detector, waarop een interferentiepatroon ontstaat.

Als de aarde beweegt ten opzichte van de ether, bijvoorbeeld in de richting van spiegel 2, dan zal de lichtsnelheid in de horizontale en verticale richting niet samenvallen, wat zou moeten leiden tot een faseverschuiving van de golven die worden gereflecteerd door verschillende spiegels op de detector (bijvoorbeeld zoals weergegeven in het diagram, rechtsonder). In werkelijkheid werd geen verplaatsing waargenomen (zie linksonder).

Einstein versus Newton

In hun pogingen om de beweging van de ether en de voortplanting van licht daarin te begrijpen, moesten Lorentz en de Franse wiskundige Henri Poincaré aannemen dat de afmetingen van bewegende lichamen veranderen in vergelijking met de afmetingen van stilstaande, en bovendien tijd voor bewegende lichamen stromen langzamer. Het is moeilijk voor te stellen - en Lorentz behandelde deze aannames meer als een wiskundige truc dan als een fysiek effect - maar ze zorgden voor de verzoening van mechanica, elektromagnetische lichttheorie en experimentele gegevens.

Einstein was in 1905 in twee artikelen in staat om op basis van deze intuïtieve overwegingen een coherente theorie te creëren waarin al deze verbazingwekkende effecten het gevolg zijn van twee postulaten:

• de lichtsnelheid is constant en is niet afhankelijk van hoe de bron en ontvanger bewegen (en is gelijk aan ongeveer 300.000 kilometer per seconde);
• voor elk fysiek systeem werken fysieke wetten op dezelfde manier, ongeacht of het beweegt zonder versnelling (met welke snelheid dan ook) of in rust is.

En hij leidde de meest bekende fysieke formule af - E = mc²! Bovendien, vanwege het eerste postulaat, hield de beweging van de ether op van belang te zijn, en Einstein verliet het eenvoudig - licht kan zich in leegte voortplanten.

Vooral het tijddilatatie-effect leidt tot de beroemde "paradox of twins". Als een van de twee tweelingen, Ivan, op een ruimteschip naar de sterren gaat, en de tweede, Peter, blijft op hem op aarde wachten, dan zal na zijn terugkeer blijken dat Ivan minder oud is geworden dan Peter, sinds die tijd zijn snel bewegende ruimteschip stroomde langzamer dan op aarde.

Dit effect, evenals andere verschillen tussen de relativiteitstheorie en de gewone mechanica, manifesteert zich alleen met een enorme bewegingssnelheid, vergelijkbaar met de snelheid van het licht, en daarom komen we het in het dagelijks leven nooit tegen. Voor de gebruikelijke snelheden waarmee we elkaar op aarde ontmoeten, verschilt de breuk v / c (recall, c = 300.000 kilometer per seconde) heel weinig van nul, en keren we terug naar de vertrouwde en gezellige wereld van schoolmechanica.

Niettemin moet rekening worden gehouden met de effecten van de relativiteitstheorie, bijvoorbeeld bij het synchroniseren van klokken op GPS-satellieten met terrestrische satellieten voor een nauwkeurige werking van het plaatsbepalingssysteem. Bovendien komt het effect van tijdsdilatatie tot uiting in de studie van elementaire deeltjes. Velen van hen zijn onstabiel en veranderen binnen zeer korte tijd in andere. Ze bewegen echter meestal snel, en daardoor is de tijd voordat hun transformatie vanuit het oogpunt van de waarnemer wordt opgerekt, wat het mogelijk maakt om ze te registreren en te bestuderen.

De speciale relativiteitstheorie is ontstaan vanuit de behoefte om de elektromagnetische lichttheorie te verzoenen met de mechanica van snel (en met constante snelheid) bewegende lichamen. Nadat hij naar Duitsland was verhuisd, voltooide Einstein zijn algemene relativiteitstheorie (GTR), waar hij zwaartekracht toevoegde aan elektromagnetische en mechanische verschijnselen. Het bleek dat het zwaartekrachtveld kan worden omschreven als vervorming door een enorm lichaam van ruimte en tijd.

Een van de gevolgen van de algemene relativiteitstheorie is de kromming van het straaltraject wanneer licht in de buurt van een grote massa passeert. De eerste poging tot experimentele verificatie van de algemene relativiteitstheorie vond plaats in de zomer van 1914 bij het observeren van een zonsverduistering op de Krim. Wel werd een team Duitse astronomen geïnterneerd in verband met het uitbreken van de oorlog. Dit redde in zekere zin de reputatie van de algemene relativiteitstheorie, omdat de theorie op dat moment fouten bevatte en een onjuiste voorspelling gaf van de afbuigingshoek van de bundel.

In 1919 kon de Engelse natuurkundige Arthur Eddington, toen hij een zonsverduistering observeerde op Principe Island voor de westkust van Afrika, bevestigen dat het licht van een ster (het werd zichtbaar vanwege het feit dat de zon hem niet verduisterde), die langs de zon gaat, wijkt precies af onder dezelfde hoek als de voorspelde vergelijkingen van Einstein.

De ontdekking van Eddington maakte Einstein tot een superster.

Op 7 november 1919, midden in de Vredesconferentie van Parijs, toen alle aandacht leek te zijn gericht op hoe de wereld er na de Eerste Wereldoorlog uit zou zien, publiceerde de Londense krant The Times een redactioneel artikel: “A Revolution in Science: A Nieuwe theorie van het heelal, de ideeën van Newton worden verslagen."

Verslaggevers joegen Einstein overal achterna en vielen hem lastig met verzoeken om de relativiteitstheorie in een notendop uit te leggen, en de zalen waar hij openbare lezingen gaf waren overvol (tegelijkertijd, te oordelen naar de recensies van zijn tijdgenoten, was Einstein geen erg goede spreker; het publiek begreep de essentie van de lezing niet, maar kwam toch om de beroemdheid te zien).

In 1921 ging Einstein, samen met de Engelse biochemicus en toekomstige president van Israël, Chaim Weizmann, op een lezingentournee door de Verenigde Staten om fondsen te werven voor de ondersteuning van Joodse nederzettingen in Palestina. Volgens The New York Times: "Elke stoel in de Metropolitan Opera was bezet, van de orkestbak tot de laatste rij van de galerij, honderden mensen stonden in de gangpaden."De correspondent van de krant benadrukte: "Einstein sprak Duits, maar wilde graag een man zien en horen die het wetenschappelijke concept van het heelal aanvulde met een nieuwe theorie van ruimte, tijd en beweging, en nam alle stoelen in de zaal in beslag."

Ondanks het succes bij het grote publiek, werd de relativiteitstheorie met grote moeite aanvaard in de wetenschappelijke gemeenschap.

Van 1910 tot 1921 nomineerden vooruitstrevende collega's Einstein tien keer voor de Nobelprijs voor natuurkunde, maar het conservatieve Nobelcomité weigerde elke keer, daarbij verwijzend naar het feit dat de relativiteitstheorie nog niet voldoende experimentele bevestiging had gekregen.

Na de expeditie van Eddington begon dit steeds schandaliger te worden, en in 1921, nog steeds niet overtuigd, namen de leden van de commissie een elegante beslissing - om Einstein een prijs toe te kennen, zonder de relativiteitstheorie te noemen, namelijk: Voor diensten aan de theoretische natuurkunde en, in het bijzonder, voor zijn ontdekking van de wet van het foto-elektrisch effect”.

Arische natuurkunde versus Einstein

Einsteins populariteit in het Westen leidde tot een pijnlijke reactie van collega's in Duitsland, die zich praktisch geïsoleerd bevonden na het militante manifest van 1914 en de nederlaag in de Eerste Wereldoorlog. In 1921 was Einstein de enige Duitse wetenschapper die een uitnodiging ontving voor het World Solvay Physics Congress in Brussel (dat hij echter negeerde ten gunste van een reis naar de Verenigde Staten met Weizmann).

Tegelijkertijd slaagde Einstein er, ondanks ideologische verschillen, in vriendschappelijke betrekkingen te onderhouden met de meeste van zijn patriottische collega's. Maar van de extreemrechtse vleugel van studenten en academici heeft Einstein een reputatie opgebouwd als een verrader die de Duitse wetenschap op een dwaalspoor brengt.

Een van de vertegenwoordigers van deze vleugel was Philip Leonard. Ondanks het feit dat Lenard in 1905 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving voor de experimentele studie van elektronen geproduceerd door het foto-elektrisch effect, leed hij voortdurend onder het feit dat zijn bijdrage aan de wetenschap niet voldoende werd erkend.

Eerst leende hij in 1893 een ontladingsbuis van zijn eigen fabricage aan Roentgen, en in 1895 ontdekte Roentgen dat de ontladingsbuizen stralen uitzonden die nog onbekend waren voor de wetenschap. Lenard was van mening dat de ontdekking op zijn minst als gezamenlijk moest worden beschouwd, maar alle glorie van de ontdekking en de Nobelprijs voor natuurkunde in 1901 ging alleen naar Röntgen. Lenard was verontwaardigd en verklaarde dat hij de moeder van de roggen was, terwijl Roentgen slechts vroedvrouw was. Tegelijkertijd gebruikte Roentgen de Lenard-buis blijkbaar niet in beslissende experimenten.

De ontladingsbuis waarmee Lenard elektronen bestudeerde in het foto-elektrisch effect, en Roentgen zijn straling ontdekte

De ontladingsbuis waarmee Lenard elektronen bestudeerde in het foto-elektrisch effect, en Roentgen zijn straling ontdekte

Ten tweede was Lenard diep beledigd door de Britse natuurkunde. Hij betwistte de prioriteit van Thomsons ontdekking van het elektron en beschuldigde de Engelse wetenschapper van het onjuist verwijzen naar zijn werk. Lenard creëerde een model van het atoom, dat kan worden beschouwd als de voorloper van het model van Rutherford, maar dit werd niet goed opgemerkt. Het is niet verwonderlijk dat Lenard de Britten een natie van huurlingen en bedrieglijke handelaren noemde, en de Duitsers integendeel een natie van helden, en na het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog stelde hij voor om een intellectuele continentale blokkade op Groot-Brittannië te regelen.

Ten derde was Einstein in staat om het foto-elektrisch effect theoretisch te verklaren, en Lenard beval hem in 1913, zelfs vóór de meningsverschillen met betrekking tot de oorlog, zelfs aan voor een hoogleraarschap. Maar de Nobelprijs voor de ontdekking van de wet van het foto-elektrisch effect in 1921 werd alleen aan Einstein gegeven.

De vroege jaren 1920 waren over het algemeen een moeilijke tijd voor Lenard. Hij botste met enthousiaste linkse studenten en werd publiekelijk vernederd toen hij, na de moord op de liberale politicus van Joodse afkomst en de Duitse minister van Buitenlandse Zaken Walter Rathenau, weigerde de vlag te hijsen op het gebouw van zijn instituut in Heidelberg.

Zijn spaargeld, geïnvesteerd in staatsschuld, was opgebrand door inflatie en in 1922 stierf zijn enige zoon aan de gevolgen van ondervoeding tijdens de oorlog. Lenard raakte geneigd te denken dat de problemen van Duitsland (ook in de Duitse wetenschap) het resultaat zijn van een joodse samenzwering.

Een naaste medewerker van Lenard in die tijd was Johannes Stark, de Nobelprijswinnaar van 1919 voor natuurkunde, die ook geneigd was de machinaties van de Joden de schuld te geven van zijn eigen falen. Na de oorlog organiseerde Stark, in tegenstelling tot de liberale Physics Society, de conservatieve "German Professional Community of University Teachers", met behulp waarvan hij probeerde de financiering voor onderzoek en benoemingen in wetenschappelijke en onderwijsposities te regelen, maar dat lukte niet. Na een mislukte verdediging van een afgestudeerde student in 1922, verklaarde Stark dat hij omringd was door bewonderaars van Einstein en nam hij ontslag als professor aan de universiteit.

In 1924, zes maanden na de Bierputsch, publiceerde de Grossdeutsche Zeitung een artikel van Lenard en Stark, "Hitlers geest en wetenschap". De auteurs vergeleken Hitler met zulke reuzen van de wetenschap als Galileo, Kepler, Newton en Faraday ("Wat een zegen dat dit genie in het vlees onder ons leeft!"), En prezen ook het Arische genie en veroordeelden het corrumperende jodendom.

Volgens Lenard en Stark manifesteerde de verderfelijke Joodse invloed zich in de wetenschap in nieuwe richtingen van de theoretische fysica - kwantummechanica en de relativiteitstheorie, die een afwijzing van oude concepten vereisten en een complex en onbekend wiskundig apparaat gebruikten.

Voor oudere wetenschappers, zelfs voor degenen die zo getalenteerd zijn als Lenard, was dit een uitdaging die maar weinigen konden aangaan.

Lenard stelde "joods", dat wil zeggen theoretische natuurkunde, tegenover "arisch", dat wil zeggen experimenteel, en eiste dat de Duitse wetenschap zich op het laatste concentreerde. In het voorwoord van het leerboek "Duitse natuurkunde" schreef hij: "Duitse natuurkunde? - mensen zullen vragen. Ik zou ook Arische fysica kunnen zeggen, of de fysica van het Noordse volk, de fysica van waarheidszoekers, de fysica van degenen die wetenschappelijk onderzoek hebben gegrondvest."

Lange tijd bleef de "Arische fysica" van Lenard en Stark een marginaal fenomeen, en natuurkundigen van verschillende oorsprong waren betrokken bij theoretisch en experimenteel onderzoek van het hoogste niveau in Duitsland.

Dat veranderde allemaal toen Adolf Hitler in 1933 kanselier van Duitsland werd. Einstein, die op dat moment in de Verenigde Staten was, deed afstand van het Duitse staatsburgerschap en lidmaatschap van de Academie van Wetenschappen, en Academievoorzitter Max Planck verwelkomde deze beslissing: Ondanks de diepe kloof die onze politieke opvattingen verdeelt, zullen onze persoonlijke vriendschappen altijd onveranderd blijven ', verzekerde hij dat hij Einsteins persoonlijke correspondentie is. Tegelijkertijd ergerden sommige leden van de academie zich eraan dat Einstein er niet demonstratief uit was gezet.

Johannes Stark werd al snel voorzitter van het Instituut voor Natuurkunde en Technologie en de Duitse Onderzoeksvereniging. In het volgende jaar verliet een kwart van alle fysici en de helft van de theoretische fysici Duitsland.