free hit counter

31-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

30-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

29-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

In 1879 stelde Jozef Spefan op basis van experimentele feiten vast dat de totale uitgestraalde energie van een heet voorwerp (dus het geheel van energie van alle frequenties samen) evenredig is met de temperatuur in Kelvin tot de vierde macht van dat hete voorwerp. Dus als je de temperatuur in Kelvin twee keer groter maakt, dan wordt de uitgestraalde energie twee tot de macht vier (dat is twee maal twee maal twee maal twee of dus zestien) keer groter. Maak je de temperatuur in Kelvin drie keer zo groot, dan wordt de uitgestraalde energie drie tot de macht vier, dus 81, keer groter.

Stefan dacht nog dat dit zo was voor alle voorwerpen, en dus niet enkel voor zwarte voorwerpen. In 1884 echter kwam Ludwig Boltzmann tot dezelfde conclusie, maar nu op basis van de wetten van Maxwell en de thermodynamica. Boltzmann gaf in 1884 de correcte wet van Stefan door te bewijzen dat ze alleen klopt voor zwarte voorwerpen. Die wet van de vierde macht noemt men nu de wet van Stefan-Boltzmann.

In 1896, dus amper vier jaar geleden, gaf Wilhelm Wien een gedeeltelijke theoretische oplossing voor het wiskundige verband tussen de energie, de frequenties en de temperatuur die klopte met de experimentele gegevens. Die theoretische oplossing klopt echter slechts gedeeltelijk: ze klopt niet voor alle frequenties. Ze klopt meer bepaald niet in het verre infrarode gebied, dat wil dus zeggen voor frequenties die veel lager zijn dan die van het zichtbare licht. Heinrich Rubens en Ferdinand Kurlbaum hebben die theoretische oplossing later met experimenten bevestigd.

En tot op de dag van vandaag is er niemand die wel het volledige en goede verband kan geven tussen de energie, de frequentie en de temperatuur. Met volledig bedoelen we: voor alle temperaturen en voor alle frequenties. En dat is dus één van de grootste raadsels van de fysica en de wetenschappen in het algemeen.

28-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Perfect zwarte voorwerpen hebben een bijzondere eigenschap. Ze zijn bijzonder omdat ze helemaal geen elektromagnetische straling, licht bijvoorbeeld, weerkaatsen. Ze slorpen alle licht op en zenden ander licht uit. Niet-zwarte voorwerpen zijn anders. Die kaatsen een deel van het licht terug en slorpen het andere deel van het licht op. Zo zien we trouwens kleuren. Een gele trui kaatst alleen geel licht terug en slorpt al het andere licht op. Een rode trui kaatst rood licht terug en slorpt al het andere op.

Perfect zwarte voorwerpen weerkaatsen dus geen licht; ze slorpen licht en andere elektromagnetische straling op en stralen dan ander licht en andere elektromagnetische straling uit. Ze stralen tegelijk verschillende kleuren licht (dus verschillende frequenties van elektromagnetische straling) uit. We noemen dat het spectrum van elektromagnetische straling van dat voorwerp. Niet-zwarte voorwerpen hebben ook een spectrum. Bij niet-zwarte voorwerpen hangt dat spectrum onder andere af van het materiaal waaruit het voorwerp is gemaakt. Voor perfect zwarte voorwerpen is dat echter niet het geval. Als je een zwart voorwerp heel heet maakt, dan heb je een continu spectrum (dat wil zeggen dat het alle opeenvolgende kleuren bevat) dat enkel van de temperatuur van het zwarte voorwerp afhangt en niet van het voorwerp zelf. Het spectrum van zwarte voorwerpen hangt dus niet af van bijvoorbeeld de vorm van het voorwerp of het materiaal waaruit het voorwerp is gemaakt. Dat is heel bijzonder want dat is enkel zo voor perfect zwarte voorwerpen.

Een heel heet perfect zwart voorwerp zendt dus een continu spectrum van licht uit. Het zendt dus tegelijk licht van een heleboel opeenvolgende frequenties van elektromagnetische straling uit.  Elke frequentie van het licht bevat een bepaalde hoeveelheid licht. Die hoeveelheid licht is de sterkte van het licht, dus van de hoeveelheid energie van dat licht. Dat is hetzelfde zoals bij een lamp. Een felle lamp straalt meer licht, dus meer energie, uit dan een zwakke lamp.

De hoeveelheden licht van de verschillende frequenties, of anders gezegd de hoeveelheden energie van de verschillende frequenties, zijn niet allemaal even groot. De energie van frequentie 5000 is bijvoorbeeld 100; de energie van frequentie 5001 is bijvoorbeeld 102; de energie van frequentie 5002 is bijvoorbeeld 105 enzovoort. Deze getallen kloppen niet; het is enkel ter illustratie maar ze tonen het idee.

Een van de allergrootste wetenschappelijke raadsels van vandaag is dat de berekeningen voor de grootte van de hoeveelheden energie niet met de huidige wetten van de fysica kloppen. Meer bepaald gaat het hier over de wetten van Newton over de krachten en de beweging van voorwerpen en de wetten van Maxwell over elektromagnetische straling, waaronder dus licht.

Uit experimenten met hete zwarte voorwerpen blijkt namelijk dat de frequentie van het licht met de grootste sterkte, dus met de grootste hoeveelheid energie, afhankelijk is van de temperatuur van dat zwarte voorwerp. Die frequentie verandert dus naarmate de temperatuur van het zwarte voorwerp verandert. Bijvoorbeeld bij een temperatuur van 1000 graden is er meest licht van frequentie 6000, bij een temperatuur van 1100 graden is er meest licht van frequentie 6500, enzovoort. De getallen kloppen niet maar het is weer enkel ter illustratie.

Dat verschijnsel is echter in tegenspraak met de theorie die gebaseerd is op de wetten van Newton en de wetten van Maxwell. Deze theorie voorspelt namelijk dat het meeste licht altijd zou moeten zitten in de hoogste frequenties, zeg maar het violet, en dus onafhankelijk zou moeten zijn van de temperatuur van het zwarte voorwerp.

Eigenlijk is het nog erger. Volgens de theorie zou het zo moeten zijn dat er meer en meer lichtsterkte zit voor de hogere en hogere frequenties. De lichtsterkte en dus de energie zou zelfs oneindig groot moeten worden als we het licht van de de heel hoge frequenties meten. En je kunt natuurlijk niet oneindig veel energie hebben. Een poëtische geest heeft dat de ultraviolette catastrofe genoemd; ultraviolet licht heeft immers een hogere frequentie dan al het zichtbare licht.

De wetenschappers zitten echt met een dik probleem omdat de wetten van Newton en Maxwell al ontelbare keren nauwkeurig getest en voor waar bevonden zijn. We kunnen ze dus niet zomaar overboord gooien omdat we één enkele situatie hebben waar de wetten niet kloppen. Er moet iets meer aan de hand zijn.

Trouwens, het is niet alleen maar experimenteel nagegaan dat alle zwarte voorwerpen bij dezelfde temperatuur hetzelfde spectrum hebben. Gustav Kirchhoff heeft dat al in 1859 op een theoretische manier bewezen. Hij heeft ook bewezen dat de hoeveelheid uitgestraalde energie van een bepaalde frequentie ook enkel van de temperatuur van het zwarte voorwerp afhangt, en dus bijvoorbeeld niet van het materiaal waaruit dat zwarte voorwerp is gemaakt. Als je twee verschillende zwarte voorwerpen van verschillende materialen hebt en ze hebben dezelfde temperatuur, dan hebben ze helemaal hetzelfde spectrum en ze stralen precies dezelfde hoeveelheid energie uit.

Daaruit volgt dan automatisch dat de totale hoeveelheid door een zwart voorwerp uitgestraalde energie enkel van de temperatuur van het zwarte voorwerp afhangt.

Dat bewijs van Kirchhoff is een echt juweeltje. Het is gebaseerd op het feit dat een perpetuum mobile van de tweede soort niet kan bestaan.

27-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

26-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

En werkt het dan wel in de praktijk? In de praktijk werkt het inderdaad heel goed: de voorspellingen komen meestal heel goed overeen met de resultaten van de experimenten. Alleen met de entropie wil het nog niet zo goed lukken. En daar wil ik een steentje toe bijdragen. Ik weet dat vooral Boltzmann zich met de kinetische gastheorie en entropie bezighoudt maar hij weet nog lang niet alles. Er zijn dus nog genoeg belangrijke vragen te beantwoorden.

25-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Maar wat is entropie dan wel? Entropie is een bepaalde eigenschap van een systeem zoals je de eigenschappen temperatuur of gewicht of volume of energie hebt. Een systeem kan hier van alles zijn: een pot met water, een thermosfles met een gas erin, een vat met een mengsel van vloeistoffen, gassen en vaste stoffen, een planeet, het zonnestelsel, alle zeewater op aarde, een boom, een hond, een kat, een olifant. Net zoals je de temperatuur of het gewicht van zoiets kunt meten of berekenen, kun je ook de entropie bepalen.

De entropie komt niet uit de lucht vallen. Men heeft de entropie gedefinieerd omdat men ontdekt heeft dat er in de thermodynamica een bepaalde eigenschap bestaat (die men dus entropie heeft gedoopt) die in een gesloten systeem nooit kan dalen. Een gesloten systeem is een perfect geïsoleerd en onvervormbaar systeem, bijvoorbeeld een onsamendrukbare, perfect geïsoleerde thermosfles. In dat systeem kunnen er allerlei chemische reacties plaatsvinden. De temperatuur kan hierbij stijgen of dalen, de druk kan stijgen of dalen, er kunnen allerlei chemische stoffen worden ontbonden of gevormd, zowel gasvormige als vaste als vloeibare en toch zal de entropie van dat gesloten systeem steeds stijgen, nooit dalen. En de entropie zal blijven stijgen tot er een evenwichtstoestand ontstaan is. Vanaf dan blijft de entropie gelijk.

De entropie is de sleutel tot de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Die tweede hoofdwet kun je op verschillende manieren formuleren. Je kunt bijvoorbeeld zeggen, zoals Clausius heeft gedaan, dat warmte altijd van een hoge temperatuur naar een lage temperatuur vloeit. Als je een blokje ijs in je whisky legt, dan zal de temperatuur van het ijs door de wamte van de whisky stijgen, waardoor het ijs water wordt, en de temperatuur van de whisky zal door de koude van het ijs dalen. De warmte vloeit dus van de warmere whisky naar het koudere ijs. Het zal nooit gebeuren dat de warmte van het ijs (want ook ijs heeft warmte!) naar de whisky vloeit waardoor het ijs nog kouder wordt en de whisky nog warmer. Dat laatste is niet verboden door de eerste hoofdwet van de thermodynamica (want de totale energie van het ijs en de whisky blijft gelijk) maar dus wel door de tweede hoofdwet van de thermodynamica.

Eigenlijk moet ik de formulering van hierboven een beetje nuanceren. Eigenlijk moet ik zeggen dat de tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt dat de warmte nooit zonder meer van iets kouds naar iets warms loopt. Warmte kan wel van iets kouds naar iets warms lopen, maar niet zonder meer, dat wil zeggen: spontaan. Warmte kan wel door een extern mechanisme gedwongen worden om van iets kouds naar iets warms te lopen. Gelukkig maar, want anders zou je je nooit een koelmachine, zeg maar een koelkast, kunnen voorstellen. In een koelmachine of koelkast laat je immers wel wamte van de koude koelkast naar de warme kamer lopen. Hierdoor wordt de inhoud van de koelkast koel gehouden. Maar je hebt wel een mechanisme nodig om dat te kunnen doen. In het geval van die koelkast ga je bijvoorbeeld een gas samenpersen en dan weer laten expanderen of uitzetten. Als je een gas samenperst, stijgt de temperatuur ervan. De temperatuur van dat gas is hierdoor hoger dan de kamertemperatuur. Hierdoor staat het gas spontaan warmte af aan de kamer. Je moet eens achter aan een koelkast voelen. Dan zie je wel wat ik bedoel. Het gas koelt dus af omdat het warmte aan de kamer afstaat. Door het afgekoelde gas daarna te expanderen (dat wil zeggen: te laten uitzetten), daalt de temperatuur van dat gas. Hierdoor is het gas nu kouder dan de koude in de koelkast. Dus vloeit de warmte van de koelkast spontaan naar het gas. Hierdoor wordt de koelkast kouder en het gas warmer. Dan pers je het gas weer samen, waardoor de temperatuur ervan stijgt en je de warmte aan de kamer kunt laten afstaan. Enzovoort, enzovoort. Je pompt als het ware de warmte van de koelkast naar de kamer. Het is dus een eindeloze cyclus en hierdoor kun je dus wel warmte van iets kouds naar iets warms laten vloeien. Je moet er wel een prijs voor betalen: je moet in die cyclus energie pompen. Je hebt namelijk een pomp nodig om dat gas samen te persen en te laten expanderen. En daarvoor heb je energie nodig, bijvoorbeeld elektrische energie.

Je kunt de tweede hoofdwet van de thermodynamica ook op een andere manier uitleggen, bijvoorbeeld zoals Kelvin en Planck hebben gedaan. Dan klinkt het zo: je kunt niet zomaar warmte (wat een vorm van energie is) in een andere energievorm omzetten, bijvoorbeeld in bewegingsenergie of elektrische energie. Hierdoor kun je bijvoorbeeld geen zelfwerkende koelkast maken. Je kunt dus niet de warmte die de koelkast afgeeft, gebruiken om de pomp van de koelkast aan te drijven. Met die warmte kun je weliswaar een bepaalde hoeveelheid elektriciteit maken, maar niet genoeg om de pomp van de koelkast te laten werken.

Je kunt daarom bijvoorbeeld ook geen trein maken die de warmte van de lucht gebruikt om te rijden. Zo een trein zou bijvoorbeeld aan de voorkant lucht naar binnen zuigen, uit die lucht de warmte halen, de resterende nu koude lucht aan de achterkant laten ontsnappen, en de warmte gebruiken om de trein te laten rijden en om het mechanisme aan te drijven dat de warmte uit de lucht haalt. Zo een trein zou heel handig zijn maar helaas. De tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt dat het niet kan. Zo een zelfwerkende koelkast of een zelfaandrijvende trein zou een perpetuum mobile van de tweede soort zijn. En zoiets kan dus niet bestaan volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica. En zo hebben we nog een derde manier om de tweede hoofdwet van de thermodynamica te formuleren: je kunt geen perpetuum mobile van de tweede soort maken.

24-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Je zou misschien geneigd zijn om de warmte als een veld te zien, want warmte verspreidt zich als het ware ook in alle richtingen. Toch blijkt dit niet zo te zijn. De uitwendige invloed van de warmte lijkt misschien wel op een veld maar als we het inwendige mechanisme van warmte willen beschrijven, kunnen we dat beter met de theorie van Newton over bewegende deeltjes doen. In dat geval kunnen we namelijk een theorie opstellen waarvan de voorspellingen overeenkomen met de resultaten van experimenten. Toch een kleine opmerking: het klopt vooral als we het over de warmte van gassen hebben. In het geval van gassen hebben we het dan over de kinetische theorie en de statistische theorie van de gassen. Voor vaste stoffen en vloeistoffen werkt het helaas zo goed niet.

Laat ons die kinetische gastheorie eens bekijken. De kinetische gastheorie is een bepaalde theorie die eigenschappen van gassen verklaart door gassen te beschouwen als een geheel van kleine bolletjes, moleculen zo je wilt, die door elkaar bewegen en die tegen de wanden botsen van de doos of de kolf of de fles of wat dan ook dat het gas bevat. Met die kinetische gastheorie probeer je dan de eigenschappen van de gassen te verklaren en te voorspellen:  de druk, de temperatuur, de geleidbaarheid van warmte, enzovoort.

Kun je zomaar veronderstellen dat gas echt uit bolletjes bestaat? Want die bolletjes komen blijkbaar overeen met de moleculen en er zijn toch nog heftige discussies over de vraag of moleculen en atomen echt bestaan of niet? En als ze bestaan, zijn dat dan kleine bolletjes of niet?

Ondanks deze vragen kun je in je theorie veronderstellen dat gas inderdaad uit kleine bolletjes bestaat op voorwaarde dat die theorie klopt. Dat klinkt vreemd want het betekent zoiets als “het klopt op voorwaarde dat het klopt” maar we bedoelen het volgende: je kunt het doen op voorwaarde dat je met de theorie correcte resultaten van allerlei experimenten kunt voorspellen. Hoe meer resultaten je correct voorspelt, of hoe correcter de resultaten, hoe beter de theorie. Je kunt in je kinetische gastheorie dus niet om het even wat beweren: het moet kloppen met de werkelijkheid in de zin dat het moet kloppen met het resultaat van experimenten die je kunt uitvoeren.

Hoe ziet die theorie eruit? Je maakt eerst een eerste reeks veronderstellingen. Bijvoorbeeld dat gas uit heel kleine bolletjes bestaat die botsen zonder energieverlies. Fysici noemen dat een elastische botsing. En dat de bolletjes altijd heel blijven: ze breken nooit. En dat de bolletjes altijd in rechte lijnen vliegen tot ze ergens tegenaan botsen. En als ze botsen, worden ze volgens de wetten van Newton teruggekaatst. Dat zijn dezelfde wetten die zeggen hoe biljartballen botsen. En zo zijn er nog een paar veronderstellingen. Die eerste reeks van veronderstellingen is dezelfde voor bijna alle kinetische theorieën. Eigenlijk moeten we dus zeggen dat er niet één kinetische theorie bestaat. Er bestaan er meerdere maar ze lijken wel op elkaar. Ze verschillen van elkaar omdat ze andere veronderstellingen maken.

Dat was het eenvoudige stuk. Dan is er een reeks van veronderstellingen die wel sterk afwijkt van theorie tot theorie. In die tweede reeks maakt men veronderstellingen over de snelheidsverdeling van de bolletjes. De bolletjes hebben immers niet allemaal dezelfde snelheid. Toch veronderstelt men dat er een bepaalde systematiek in de verschillende snelheden zit. Om het wetenschappelijker uit te drukken: men veronderstelt dat er een bepaalde snelheidsverdeling is. Deze snelheidsverdeling zegt hoe de snelheden van de bolletjes verdeeld zijn: bijvoorbeeld 30% van de bolletjes heeft een snelheid tussen 900 en 1000 kilometer per uur, 15% heeft een snelheid tussen 800 en 900 kilometer per uur en 15% een snelheid tussen 1000 en 1100 kilometer per uur, 10% een snelheid tussen 700 en 800 kilometer per uur, 10% een snelheid tussen 1100 en 1200 kilometer per uur, enzovoort.

In de natuur zijn dergelijke verdelingen meestal verdeeld als een klokfunctie, dat is een wiskundige lijn met de vorm van de klok van een kerktoren. Dat is een lijn die op de grond begint en eerst zachtjes omhoog begint te gaan, dan sneller omhoog gaat, dan weer trager omhoog gaat tot ze een maximum bereikt en daar horizontaal is, dan zachtjes naar beneden gaat, dan sneller en sneller naar beneden gaat en dan weer trager naar beneden gaat tot ze weer horizontaal op de grond ligt. Echt de vorm van een kerkklok. De lengtes van de mensen zijn bijvoorbeeld zo verdeeld. Er zijn veel mensen die ongeveer de gemiddelde lengte van alle mensen hebben. Hoe meer je afwijkt van de gemiddelde lengte, hoe minder mensen er zullen zijn met jouw lengte. Ben je heel klein of heel groot, dan is er bijna niemand met jouw lengte.

Zo een klok die de snelheidsverdeling van de bolletjes van een gas voorstelt, kan verschillende vormen hebben. Het kan bijvoorbeeld een smalle klok zijn; dan hebben alle bolletjes ongeveer dezelfde snelheid. Het kan ook een brede klok zijn; dan liggen de snelheden ver uit elkaar. Het kan een symmetrische klok zijn, dan zijn de linkerkant en de rechterkant elkaars spiegelbeeld. Het kan ook een asymmetrische klok zijn, dan zijn rechts en links verschillend.

Die klokvorm is karakteristiek voor een bepaalde theorie: die klokvorm is de weerspiegeling of vertaling van de belangrijke verschillen tussen de theorieën. De grote truc is nu natuurlijk om zo een klokvorm te vinden zodat de voorspellingen van de theorie zo goed mogelijk met de resultaten van de experimenten overeenkomen. En dit voor een zo groot mogelijk gebied; dat wil zeggen voor alle soorten gassen, zowel voor hoge als voor lage temperaturen, zowel voor hoge drukken als voor lage drukken, enzovoort.

Die voorspellingen van de theorie kun je berekenen op basis van die snelheidsverdeling. Met die snelheidsverdeling kun je immers allerlei berekeningen maken, bijvoorbeeld wat de temperatuur van het gas is, of de druk van het gas. Die druk is in de kinetische gastheorie immers het gevolg van alle botsingen van de bolletjes op de wand van de recipiënt waarin het gas zich bevindt. De druk in een ballon bijvoorbeeld is het gevolg van al die bolletjes die met de ballonwand botsen. Er zijn vele miljarden keer miljarden bolletjes. Die bolletjes zijn heel klein; daarom zijn de botsingen heel klein. Maar omdat er zoveel bolletjes zijn, miljarden keer miljarden, lijkt het alsof er een constante druk is. Maar eigenlijk zijn er per seconde vele miljarden keer miljarden minieme botsingen.

Met de kinetische gastheorie kun je nog andere dingen dan de druk proberen te voorspellen. Bijvoorbeeld de soortelijke warmte van een gas: hoeveel warmte heb je nodig om de temperatuur van één kilogram gas met één graad Celsius te verhogen? Je kunt dat experimenteel vaststellen voor verschillende gassen, bij lage en hoge temperaturen, bij lage en hoge drukken. Je kunt dat allemaal experimenteel uitproberen, en je kunt dus nagaan in welke omstandigheden je theorie met de experimenten klopt.

Dat is dus allemaal heel boeiend en het is een onderwerp waar heel veel grote natuurkundigen hun tijd en energie in stoppen.

23-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

 We kunnen de theorieën van de fysica in twee grote soorten indelen. Langs de ene kant hebben we de theorie van de materiële deeltjes. Dat is de theorie van Newton die betrekking heeft op de beweging van heel kleine materiële deeltjes: heel kleine bolletjes; heel kleine kogeltjes als het ware. Die theorie beschrijft hoe heel kleine bolletjes onder invloed van krachten bewegen. Met andere woorden: hoe bewegen bolletjes als je op die bolletjes een kracht uitoefent. In essentie komt het erop neer dat bolletjes versneld of vertraagd worden indien er een kracht op werkt. Vergelijk het met het gaspedaal of de rem van de zopas uitgevonden auto. Als je het gaspedaal stevig indrukt, gaat de auto versnellen. Druk je de rem stevig in dan gaat de auto vertragen.

Een auto is toch geen bolletje, zeg je dan. Dat klopt. Maar als je rekening houdt met een aantal eenvoudige regeltjes dan zijn de wetten van Newton niet alleen voor heel kleine bolletjes geldig maar ook op de voorwerpen in de wereld rondom ons, planeten en sterren en dieren en mensen en zo inbegrepen.

Langs de andere kant hebben we de theorie van de velden. Het woord “veld” moeten we hier begrijpen in zijn natuurkundige betekenis, en niet zoals in een aardappelveld. In de natuurkundige betekenis zijn velden een soort verstoringen van de ruimte. Het magnetisch veld is het voorbeeld dat we het best begrijpen. Als je een magneet op tafel legt, en er zijn geen ijzeren voorwerpen in de buurt, dan zie je niets dat de aanwezigheid van de magneet verraadt. Maar er is wel een magnetisch veld: de magneet verstoort de ruimte, ook al zie je dit niet. Als je een ijzeren voorwerp in de buurt van die magneet houdt, bijvoorbeeld de naald van een kompas, dan ga je dat veld wel opmerken. Het ijzeren voorwerp of de naald zal de kracht van dat veld voelen en het gaat erop reageren: het ijzeren voorwerp en de naald van het kompas worden door de magneet aangetrokken. Je kunt de aanwezigheid van dat veld op een andere manier duidelijk maken: je kunt het met behulp van ijzervijlsel zichtbaar maken. Als je ijzervijlsel rond een magneet strooit, dan zal dat ijzervijlsel zich in duidelijke lijnen organiseren. Die lijnen geven aan hoe het veld ligt.

Waarom maken we dat onderscheid tussen de theorie van de bolletjes en de theorie van de velden? Die twee theorieën hebben een heel groot fundamenteel verschil: een veld strekt zich in de ruimte uit terwijl een bolletje zich op een heel precieze plaats in de ruimte bevindt. Als ik een magneet in het midden van de kamer leg, dan vult het magnetisch veld de hele kamer. De kracht van dat veld neemt heel snel af, naarmate de afstand tot de magneet groter wordt maar het veld is wel overal. Bij een gewone huis-tuin-en-keukenmagneet ga ik in de hoek van de kamer helemaal geen invloed van het magnetisch veld meer kunnen opmerken maar eigenlijk komt het veld wel tot in de hoek. Het is in de hoek van de kamer echter zo zwak dat het niet meer op te merken is.

Velden en bolletjes, of meer algemeen velden en voorwerpen, zijn dus iets totaal anders. Het is dus normaal dat ze door een heel ander soort wetenschappelijke theorie worden beschreven. Ze hebben helemaal niets, maar dan ook niets met elkaar te maken. En dus hebben we een theorie van velden en een van deeltjes. En dat zal nooit veranderen. Nu ja, nooit. Zeg in de fysica nooit nooit. Eigenlijk moet ik zeggen: niemand kan het zich voorstellen dat het ooit zal veranderen. Velden zijn velden en voorwerpen zijn voorwerpen.

22-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Mijn ouders zijn trouwens heel ongelukkig met mij en Mileva. Ze vrezen dat Mileva meer dan een klankbord is en ze gedragen zich echt alsof ik de grootste mislukkeling ter wereld ben.

Toch gaat het nu al wat beter dan in het begin. Soms lijkt het zelfs alsof mijn ouders zich bij de situatie hebben neergelegd. Al baart mijn moeder mij grote zorgen. Ik denk dat ze zich nooit met Mileva zal kunnen verzoenen. Mileva denkt dat ook. Ze vindt dat mijn moeder haar overal zwart maakt.

21-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Thomson heeft ook gezegd dat het elektrisch maken van een stof eigenlijk betekent dat je het atoom splitst: je breekt een stukje los van het atoom.

Volgens Thomson heb je in een atoom namelijk positieve dingen en negatieve dingen. Je hebt evenveel positieve dingen als negatieve dingen: een atoom is dus elektrisch neutraal. Als je een negatief stukje van dat atoom afbreekt, bijvoorbeeld een elektron, dan neem je een stukje negatieve elektrische lading weg van dat atoom. Het atoom heeft dan een overschot aan positieve dingen en dus is het atoom na het afbreken van een elektron positief geladen.

En tussen haakjes, het klopt dus niet dat het grote verschil tussen atomen en moleculen is dat atomen ondeelbaar zijn en moleculen niet. Als Thomson gelijk heeft, zijn atomen wel deelbaar!

20-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Misschien is het nog anders en is die ether enkel een abstracte referentie om beweging te beschrijven. Als wij spreken over beweging spreken we bijna altijd over beweging ten opzichte van iets anders, dus altijd over relatieve beweging. Ik loop zo snel op de aarde. De aarde draait zo snel rond de zon. De maan draait zo snel rond de aarde. Ik loop zo snel in een rijdende trein die zo snel rijdt ten opzichte van de aarde die zo snel draait rond de zon die op haar beurt weer zo snel vliegt ten opzichte van iets anders. Ten opzichte van wat? Van de ether? Misschien is de ether dus iets om absolute beweging te meten. Als je ten opzichte van de ether beweegt dan is dat misschien een absolute en geen relatieve beweging. Maar zelfs in dat geval is die ether misschien enkel een abstracte referentie en dan heeft die ether geen fysische werkelijkheid. Ik weet niet of ik die ideeën goed op papier heb gezet en of Mileva mij wel begrijpt.

19-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

18-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Het probleem is het volgende. Het hele heelal is gevuld met een heel fijne stof, de ether. We weten dat omdat de elektromagnetische golven in het hele heelal voorkomen en omdat die elektromagnetische golven iets nodig hebben dat golft. Dat is dus de ether en de ether moet dus overal zijn, zoals God. Nu weten we sinds Copernicus dat de aarde rond de zon draait en we kunnen ons dus de vraag stellen of de aarde ten opzichte van de ether beweegt of niet. Er zijn twee mogelijkheden. Ofwel beweegt de aarde door de ether zonder de ether te verstoren. Zoals een heel gestroomlijnde boot door water snijdt. Ofwel sleurt de aarde de ether mee, zoals siroop aan een lepel blijft kleven. Als de aarde door de ether klieft zonder de ether te verstoren, dan moeten we op aarde een verschil in lichtsnelheid kunnen meten, afhankelijk van de richting waarin de lichtstraal vliegt. Want het licht moet een vaste snelheid hebben ten opzichte van de ether. Dus afhankelijk van hoe de aarde tijdens het draaien rond de zon ten opzichte van de ether en die lichtstraal beweegt, moet je vanaf de aarde de lichtstraal met een andere snelheid zien passeren. Dat is hetzelfde als met treinen. Als een eerste persoon in een rijdende trein stilstaat, en een tweede persoon loopt heel snel naar voor in die rijdende trein, en een derde persoon loopt heel snel naar achter in die rijdende trein, dan ziet een vierde persoon buiten de trein die drie personen elk met een andere snelheid passeren. En omgekeerd: die drie personen zien die vierde persoon buiten de trein ook elk met een andere snelheid ten opzichte van zichzelf passeren. Zoiets gebeurt dus ook met een lichtstraal.

Er is echter nog een tweede mogelijkheid. Het kan ook zijn dat de aarde de ether meesleurt. Dan zouden we dus geen verschil in lichtsnelheid kunnen meten. De grote vraag is nu: sleurt de aarde de ether mee of niet?

17-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Ik heb ook een paar lessen over differentiaalmeetkunde bij Geiser gevolgd. Je weet nooit waarvoor het goed is. Voor de rest steek ik weinig op van de lessen. Ik leer vooral door zelfstudie. Ik lees de werken van Gustav Kirchhoff, Heinrich Hertz en Hermann von Helmholtz. Ik heb Mileva zover kunnen krijgen dat ze meedoet. En ik leer de theorie van Maxwell kennen met een goed boekje van August Föppl. Het is een heel recent boek, pas verschenen in 1894. En ik heb ook het boek van Ernst Mach over de mechanica gelezen en ik lees artikels van Hendrik Antoon Lorentz en Ludwig Boltzmann. En zelfs Charles Darwin, maar dat is een heel ander onderwerp.

16-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Ik heb vandaag weer mijn maandelijkse honderd frank van tante Koch uit Genua gekregen. Toch een brave ziel om mij in mijn levensonderhoud te voorzien nu mijn ouders het op financieel gebied zo moeilijk hebben. Eigenlijk ben ik een gelukzak. Ik heb een gemakkelijk leventje en ik doe wat ik wil terwijl mijn ouders het zo moeilijk hebben.

15-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

En voor mij klopt het in elk geval. Ik kom steeds voor mijn mening uit en als ik iets beloof, dan doe ik het ook. Dikwijls tot ongenoegen van de professoren aan de ETH die mij een luie, koppige, eigenzinnige en respectloze steenezel vinden.

13-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Ik mis mijn schatje, mijn Mileva. Ze zit al sinds oktober in Heidelberg waar ze lessen wiskunde en natuurkunde volgt. Ik heb haar een briefje geschreven. Een beetje een onpersoonlijk briefje over de lessen hier want ik durf haar nog niet alles schrijven wat ik denk en voel.

12-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Ik was natuurlijk weer een uur te laat. Zoals altijd had ik weer een goede reden. De lieve dame waar ik een kamer huur, vertelde me dat ze zoveel beter kan strijken als ik viool speel. En wat doet een galante heer dan? Ik krijg soms tranen in mijn ogen als ik denk aan mijn eigen goedheid.

11-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

10-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Met zijn experimenten wou J. J. Thomson beter begrijpen hoe kathodestralen zich gedragen. Op die manier wou hij erachter komen wat kathodestralen zijn. In zijn experimenten liet hij kathodestralen door elektrische en magnetische velden afbuigen en hij mat heel precies de grootte van die afbuigingen.

Het feit dat kathodestralen afbuigen, is op zich al een heel opmerkelijk resultaat. Het bewijst immers dat kathodestralen elektrisch geladen zijn. Elektromagnetische straling is niet elektrisch geladen, wat ons misschien kan verwonderen, maar zo is het nu eenmaal. De eerste belangrijke conclusie was dus: kathodestraling is geen elektromagnetische straling.

Omdat kathodestralen elektrisch geladen zijn, kon J. J. Thomson veronderstellen dat ze uit elektrisch geladen deeltjes bestaan, een soort heel minieme kogeltjes die elektrisch geladen zijn. Op de beweging van die deeltjes paste hij de elektromagnetische wetten van Coulomb en de bewegingswetten van Newton toe. Die wetten van Coulomb zeggen aan welke elektrische krachten elektrisch geladen deeltjes onderhevig zijn. De wetten van Newton zeggen hoe deeltjes onder invloed van krachten bewegen. Door die twee wetten te combineren, kon hij dus berekenen welke beweging elektrisch geladen deeltjes maken. Of meer specifiek in zijn experiment, hoe ze worden afgebogen door elektrische en magnetische velden.

Hij combineerde de berekeningen met de resultaten van zijn metingen. Op die manier kon hij de elektrische lading en de massa (de massa kun je min of meer beschouwen als het gewicht) van de deeltjes berekenen. En zo constateerde hij een tweede hoogst opmerkelijk feit. De massa van de deeltjes bleek onafhankelijk te zijn van het gas waarmee hij werkte en ook onafhankelijk van het materiaal dat hij voor de draden gebruikte: welk gas je ook gebruikt en welk materiaal je voor de draden ook gebruikt, het maakt geen verschil voor de massa en de elektrische lading van de deeltjes.

Er was nog een derde heel verrassend resultaat. Die geladen deeltjes zijn duizend keer lichter dan de massa van het waterstofatoom. De massa van waterstofatomen had men vroeger al via een bepaalde techniek, namelijk elektrolyse, kunnen meten.

Uit dat alles trok Thomson enkele wereldschokkende conclusies. Namelijk dat elektrische lading door kleine deeltjes gedragen wordt en dat die deeltjes ongeveer duizend keer kleiner zijn dan waterstofatomen. En dan moet je weten dat waterstofatomen de kleinste gekende atomen zijn! Dus de kleinste gekende bouwstenen van de materie. En dan moet je ook weten dat atomen niet gesplitst kunnen worden! Thomson was dus van mening dat hij een nieuw bouwsteentje van de materie had ontdekt. Of zachter (en wetenschappelijker) uitgedrukt: zijn experimenten leveren resultaten op die duidelijk de hypothese van het bestaan van die bouwsteentjes ondersteunen. Wetenschappers zijn altijd heel voorzichtig wanneer ze ophefmakende ontdekkingen hebben gedaan. Ze zijn ook maar mensen en ze beseffen dat ze zich ook kunnen vergissen;

Ik probeer de conclusie van Thomson een beetje anders uit te leggen. Thomson heeft het eerste soort elementair deeltje ontdekt: het elektron. Waarom noemen we het een elementair deeltje? Omdat het elektron blijkbaar in alle stoffen voorkomt; het is een bouwsteentje dat in alle stoffen voorkomt: ijzer, water, bier. Want dat elektron is hetzelfde in alle experimenten die Thomson deed met alle soorten gassen en met alle soorten materialen als elektroden. Nu ja, hij heeft het niet echt getest met ijzer en water en bier maar zo werkt de wetenschap, zo werkt de wetenschappelijke methode. Je doet een aantal experimenten met zoveel mogelijk materialen en dan probeer je conclusies te trekken voor alle materialen, ook voor de materialen waarmee je geen experimenten hebt gedaan. Vandaar dat ik daarnet schreef: “zijn experimenten leveren resultaten op die duidelijk de hypothese van het bestaan van die bouwsteentjes ondersteunen.”

Het resultaat van Thomson luidt meteen het einde in van de discussie of kathodestralen een stroom van moleculen of atomen is ofwel elektromagnetische straling. Het is geen van beide. Het zijn elektronen, een nieuw soort materie. Een nieuw soort materie! Je kunt je voorstellen dat de wetenschappers ongelovig hebben gereageerd toen Thomson zijn resultaten voorstelde. De meeste wetenschappers denken dat hij ze voor het lapje houdt. Hier zullen nog vele dagen en nachten over gediscussieerd worden, dat geef ik je op een briefje.

09-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Er is al lange tijd een discussie aan de gang of die kathodestraling elektromagnetische straling is, zoals licht en radiogolven, ofwel een stroom van moleculen of atomen. De discussie is tot op vandaag de dag onbeslist.

08-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Thomas Young probeerde in 1816 de grootte van de deeltjes van water te meten. En Loschmidt in 1866 de grootte van de deeltjes van lucht. En in 1870 probeerde Kelvin dat voor de gassen in het algemeen. Hij schreef zelfs onomwonden dat het een onweerlegbaar wetenschappelijk feit was dat gas uit bewegende moleculen bestaat. In 1873 deed Maxwell pogingen om de grootte van de deeltjes van waterstof te meten. Zijn berekeningen kwamen overeen met de resultaten van van der Waals van datzelfde jaar.

In de jaren 1880 kwamen de verschillende berekeningen in verband met de grootte van de deeltjes van gassen en waterstof meer en meer met elkaar overeen. Onder andere hierdoor kon je rond 1880 bijna niet meer ontkennen dat moleculen echt bestaan. Maar desondanks zijn er dus die mensen zoals Ostwald en Mach die atomen en moleculen ook vandaag, in 1897, nog onzin vinden.

Anderen vroegen zich dan weer af hoeveel moleculen er dan wil zitten in een bepaalde hoeveelheid gas of vloeistof of vaste stof. Avogadro had al beweerd dat dezelfde hoeveelheid van verschillende gassen onder dezelfde druk en temperatuur evenveel moleculen bevatten. In verband hiermee definieerde hij een bepaald getal, het getal van Avogadro (soms ook het getal van Loschmidt genoemd), dat zegt hoeveel moleculen een bepaalde hoeveelheid gas bij een bepaalde druk en temperatuur bevat. Dat getal moest in elk geval heel groot zijn, vele miljarden keer vele miljarden maar hij wist niet hoe groot het dan wel was. Velen hebben pogingen gedaan om dat getal te berekenen of te meten. Loschmidt en Maxwell waren slechts enkele van de bekendste voorbeelden.

En nu kun je mij geloven of niet maar ik wil ook dat getal meten. Ik ben ervan overtuigd dat atomen en moleculen echt bestaan en ik wil ook helpen om dat te bewijzen. Dat kan ik nu nog niet doen maar het zal zeker geen tien jaar meer duren. Daar ben ik echt van overtuigd.

07-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Al duizenden vragen de mensen zich af wat materie eigenlijk is. Ze weten al heel lang dat er vaste stoffen bestaan (hout) en vloeibare stoffen (bier) en gassen (lucht). Maar waaruit bestaan al die stoffen? Bestaan ze uit een soort bouwsteentjes die je niet verder kunt splitsen, bouwsteentjes die men atomen noemt? Of bestaan ze uit moleculen, wat ook een soort bouwstenen zijn, maar dan anders dan atomen? Hoe anders dan? Of bestaan ze zowel uit atomen als moleculen? Of bestaan atomen en moleculen helemaal niet en bestaat er niet zoiets als bouwstenen?

Meer dan tweeduizend jaar geleden waren klassieke Griekse filosofen zoals Democritos en Epicurus ervan overtuigd dat materie uit hele kleine bouwsteentjes bestaat die niet verder te splitsen zijn. Ze noemden die bouwsteentjes “atomen”, afgeleid van het Griekse woord voor “ondeelbaar”. Het zijn dus elementaire deeltjes die niet verder gesplitst kunnen worden. Ze hadden daar geen wetenschappelijk bewijs voor, tenminste niet in de betekenis die we daar nu aan hechten, met verifieerbare experimenten en zo. Ze waren daar via filosofische weg op gekomen. Gewoon door erover na te denken. Maar dat was nu eenmaal eigen aan de klassieke Griekse filosofie: wetenschap en filosofie waren ondeelbaar met elkaar verbonden.

Dat idee van die atomen kwam later nu en dan zijn kop weer opsteken. John Dalton was de eerste die er een samenhangende theorie van maakte. In 1808 publiceerde hij zijn Nieuw Systeem van Chemische Filosofie. Dat was de start van de moderne chemie die zegt dat alle stoffen uit een klein aantal atoomsoorten bestaan. Alle vaste, vloeibare en gasvormige stoffen bestaan dus uit combinaties van een klein aantal atoomsoorten. In de tijd van Dalton waren er achttien verschillende atoomsoorten bekend. En hiermee worden dus alle stoffen gemaakt, van ijzer tot wol, van suiker tot hout, van water tot aarde, van lucht tot wijn en bier.

Dalton maakte nog wel het onderscheid tussen enkelvoudige en samengestelde atomen. Een enkelvoudig atoom is gewoon een atoom; dat is dus één van de achttien gekende atoomsoorten. Een samengesteld atoom is een combinatie van atomen, maar zodanig dat het de kleinst mogelijke hoeveelheid van een stof is. Bijvoorbeeld de kleinste hoeveelheid water die er bestaat, of de kleinste hoeveelheid suiker. Je kunt een watermolecule niet verder opdelen want dan heb je geen water of suiker meer.

Vandaag de dag noemen de meeste wetenschappers die erin geloven enkelvoudige atomen gewoon “atomen” en ze noemen samengestelde atomen “moleculen”. Atomen zijn dus de bouwstenen van alles en er zijn er maar een klein aantal soorten van. Een molecule is de kleinste hoeveelheid van een stof. En aangezien er miljoenen verschillende vaste, vloeibare en gasvormige stoffen bestaan, bestaan er miljoenen soorten moleculen.

Niet alle wetenschappers geloven in atomen en moleculen. De wetenschappers voeren vandaag nog verhitte discussies over de vraag of atomen en moleculen wel echt bestaan. Dat was meer dan tweeduizend jaar geleden bij de klassieke Griekse filosofen al het geval. En dat was ook zo toen Dalton zijn theorie publiceerde. En degenen die wel in atomen geloven, zijn het er niet over eens of er zoiets bestaat als enkelvoudige atomen en samengestelde atomen of niet. En ze zijn het ook niet eens over de goede benamingen van die dingen. De namen “atoom” en “molecule” worden gewoon door elkaar gebruikt en zelfs met een andere betekenis. Kortom een grote verwarring en verhitte discussies alom. Zelfs op het congres van chemici van Karlsruhe in 1860 werd er gediscussieerd over de vraag of het nodig was een onderscheid te maken tussen atomen en moleculen, in de zin dat moleculen de kleinste hoeveelheid materie is die in een chemische reactie deelneemt en een atoom het kleinste onderdeel van een molecule is. Ze zijn er niet uitgeraakt.

Om het nog ingewikkelder te maken, waren er mannen zoals Kekulé die een onderscheid maakten tussen fysische en chemische moleculen. Een fysische molecule is de kleinste hoeveelheid van een gas of vloeistof of vaste stof. Een chemische molecule is de kleinste hoeveelheid van een gas of vloeistof of vaste stof die in een chemische reactie deelneemt. Ze zijn beiden deelbaar (je kunt ze dus splitsen) maar dan heb je niet meer datzelfde gas of vloeistof of vaste stof. Atomen daarentegen zijn niet verder deelbaar: je kunt ze niet splitsen.

Een zekere Stanislao Cannizarro zei dat er geen enkele experimentele basis was om een onderscheid te maken tussen fysiche en chemische moleculen en dat het dus geen zin had om dat onderscheid te maken: er zijn gewoon moleculen, punt uit.

Die discussie tussen Kekulé en Cannizarro was heel typerend voor die tijd: chemici en fysici praatten gewoon langs mekaar heen: ze verstonden mekaar niet en ze luisterden ook niet echt naar elkaar. Chemici houden zich bezig met chemische reacties, waarbij dus stoffen in andere stoffen worden omgezet en ze hebben dus vooral interesse voor moleculen. Fysici houden zich vooral bezig met de kinetische gastheorie en meer bepaald met de tweede hoofdwet van de thermodynamica, waarover ik nu nog niet veel weet. En zelfs onder fysici en onder chemici is er geen eensgezindheid.

Als we in al die meningen toch een beetje structuur proberen te brengen, lijkt het grote verschil tussen atomen en moleculen te zijn dat atomen ondeelbaar zijn en moleculen niet. Of is het zo eenvoudig niet? Het is inderdaad zo eenvoudig niet. Maxwell was bijvoorbeeld van mening dat atomen ondeelbaar zijn maar toch een inwendige structuur hebben. Volgens Maxwell bestaat een atoom toch uit kleinere bouwsteentjes maar die bouwsteentjes kun je niet uit elkaar trekken. Anderen waren het er hier mee eens omdat ze net als Maxwell meenden dat je enkel op die manier de spectra van atomen (dus de verschillende stralingen die een atoom uitstraalt) kunt verklaren. Atomen bestaan volgens hen dus uit nog kleinere deeltjes maar je kunt de atomen niet in die deeltjes breken.

Zelfs Dalton, die we de vader van de chemie kunnen noemen en die allesbehalve een idioot was, sloeg de bal in deze discussie helemaal verkeerd. Zo ging hij niet akkoord met de fysische wet van Amedeo Avogadro van 1811, die zegt dat bij gelijke temperatuur en gelijke druk, gelijke hoeveelheden van verschillende gassen evenveel moleculen bevatten. Om het eenvoudiger uit te drukken: als je een gelijke hoeveelheid zuurstofgas en koolzuurgas (bijvoorbeeld elk een liter) onder dezelfde druk (bijvoorbeeld elk 10 bar) en temperatuur (bijvoorbeeld elk 20 graden Celsius) hebt, dan bestaan die hoeveelheden zuurstofgas en koolzuurgas uit evenveel moleculen. Dalton kon of wilde dit niet geloven en dat was een gevolg van het feit dat Dalton niet inzag dat de kleinste hoeveelheid van een gas een molecule is en niet een atoom.

Die wet van Avogadro was uiteraard gebaseerd op de veronderstelling dat moleculen bestaan. Avogadro was trouwens de allereerste die een wet formuleerde die expliciet steunt op de veronderstelling dat moleculen bestaan. Maar nu, meer dan vijfentachtig jaar later, geloven nog steeds niet alle wetenschappers in moleculen.

Dat is trouwens nog niet de volledige geschiedenis. Dalton was de eerste die in de moderne tijd een samenhangende theorie van atomen opstelde, maar hij was niet de eerste van de moderne tijd die er ideeën over had. In de achttiende eeuw dachten sommigen al dat gassen uit kleine deeltjes bestaan, heel kleine bolletjes. Daniel Bernouilli was misschien de eerste die zei dat de druk van een gas (bijvoorbeeld de druk van lucht in een ballon) het gevolg is van de botsingen van die deeltjes met de wand van het ding waarin ze zitten. De druk van lucht op de wand van een ballon is dus het gevolg van de ontelbare botsingen van de deeltjes waaruit lucht bestaat met de wand van de ballon. Die deeltjes zou men nu dus moleculen kunnen noemen. En in 1857 schreef Clausius al dat het onderscheid tussen gassen, vloeistoffen en vaste stoffen ligt in een verschillende manier van bewegen van de moleculen. Bij vaste stoffen zitten de moleculen dicht opeen op een vaste plaats. Bij vloeistoffen kunnen ze als het ware over elkaar glijden maar ze zitten toch dicht opeen. Bij gassen bewegen ze totaal onafhankelijk van elkaar en vliegen ze als het ware door elkaar.

Ook hierover bestaan heel uiteenlopende meningen. Zelfs amper twee jaar geleden nog, in 1895, zei Friedrich Wilhelm Ostwald voor het Duits Genootschap van Natuuronderzoekers en Artsen dat het een foute mening is om te veronderstellen dat je alle natuurverschijnselen tot mechanische verschijnselen kunt reduceren. Bijvoorbeeld door te veronderstellen dat vaste stoffen en vloeibare stoffen en gassen uit bewegende bolletjes bestaan en dat je uit die beweging alle eigenschappen van de stoffen kunt verklaren. Bijvoorbeeld dat de temperatuur afhangt van de beweging van die bolletjes: hoe sneller ze bewegen, hoe hoger de temperatuur. Volgens Ostwald kan dat dus niet. Ostwald zei ook dat je atomen zelfs niet als een nuttig model van de werkelijkheid kunt gebruiken. Dat wil zeggen dat je atomen zelfs niet als een vereenvoudiging van de werkelijkheid kunt gebruiken om hiermee toch een groot deel van de werkelijkheid te verklaren. Volgens Ostwald kun je dit bewijzen omdat veel processen onomkeerbaar zijn: veel processen vinden slechts in één richting plaats. Een boom kan bijvoorbeeld alleen maar groeien; een boom zal nooit een zaadje worden. Net zoals een man alleen maar ouder wordt en nooit weer een jongen wordt. Het kan volgens Ostwald dus niet dat de mechanische verschijnselen (bijvoorbeeld bolletjes die botsen) voldoende zijn om natuur te begrijpen en te verklaren.

Ostwald was er dus van overtuigd dat moleculen en atomen niet echt bestaan. Je kunt ze hoogstens als wiskundige trucjes gebruiken maar ze bestaan niet echt. Volgens Ostwald bestaat er alleen maar energie, al is het dan energie die in verschillende vormen bestaat. Energie is materie en materie is energie als het ware. Dat lijkt me een heel vreemd idee. Materie en energie zijn volgens mij toch wel heel verschillend. Het zou natuurlijk wel wereldschokkend zijn indien zou blijken dat energie en materie wel hetzelfde zijn. Stel je voor dat je dit zou kunnen bewijzen en in een eenvoudige formule gieten. Dan wordt dat de beroemdste formule ter wereld en word je de beroemdste man ter wereld.

06-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Hier aan de ETH ben ik in de ban geraakt van de thermodynamica. Dat is een tak van de wetenschappen die bij het grote publiek onbekend is maar die uitermate boeiend is. En die overal in het dagelijkse leven meespeelt. Een stoommachine? Dat is thermodynamica. Een kachel of een koelmachine? Thermodynamica. Een auto? Thermodynamica. Gaat men ooit vliegen? Thermodynamica.

Thermodynamica kan men definiëren als de tak van de wetenschappen die zich bezighoudt met de wetten van de natuur die zeggen hoe je energie van de ene vorm in de andere vorm kunt omzetten en hoe je dat mechanisme van die omzetting van energie kunt gebruiken om allerlei machines te maken

Energie bestaat in verschillende vormen. We kennen bijvoorbeeld de warmte-energie. Een warm voorwerp bezit meer energie dan een koud voorwerp. Om een voorwerp op te warmen moeten we dus energie toevoegen aan dat voorwerp.

We kennen ook de kinetische energie, ook bewegingsenergie genoemd. Een voorwerp dat beweegt, heeft meer energie dan datzelfde voorwerp dat stilstaat. En een zwaar voorwerp dat beweegt, heeft meer kinetische energie dan een licht voorwerp dat met dezelfde snelheid beweegt. Het kost bijvoorbeeld veel meer moeite om een bol van twintig kilogram op te vangen dan een bol van één kilogram.

En er zijn nog andere vormen van energie die we uit het dagelijkse leven kennen: met elektrische energie doen we een lamp branden en wijzelf werken op chemische energie, zoals alle levende wezens.

Potentiële energie is een heel bijzondere vorm van energie en moeilijk om goed te begrijpen. Potentiële energie is een vorm van energie die te maken heeft met de zwaartekracht en die afhangt van de hoogte van een voorwerp. Een voorwerp op het dak van een huis heeft meer potentiële energie dan dat voorwerp op straat. Je kunt dat zien als je een voorwerp van een dak laat vallen. Hoe lager het voorwerp tijdens de val komt, hoe sneller het valt. Hoe lager het komt, hoe minder potentiële energie het voorwerp ook heeft. Omdat het steeds sneller valt, wint het aan kinetische energie. Een vallend voorwerp verliest potentiële energie maar het wint kinetische energie. Het zet dus potentiële energie in kinetische energie om.

Het is een van de grote inzichten van de negentiende eeuw geweest dat het mogelijk is om energie van de ene vorm in de andere om te zetten. Het heeft lang geduurd eer de wetenschappers tot het inzicht zijn gekomen dat warmte en hoogte en snelheid en elektriciteit eigenlijk allemaal vormen van hetzelfde “iets” zijn, en dat “iets” hebben ze energie genoemd. En dat bracht dan het inzicht met zich mee dat je energie van de ene vorm in de andere vorm kunt omzetten. Je kunt je bijvoorbeeld inbeelden dat je het water van een waterval in een draaiend wiel kunt opvangen, en dat je met dat draaiend wiel elektriciteit kunt maken.

Door allerlei experimenten heeft men niet alleen ontdekt dat je energie van de ene vorm in de andere vorm kunt omzetten maar ook dat je hierbij geen extra energie kunt maken en dat je hiermee ook geen energie kunt laten verdwijnen. De totale hoeveelheid energie blijft altijd gelijk.

Men heeft die vaststelling in een wet gegoten en men noemt die wet de eerste hoofdwet van de thermodynamica. Die wet zegt dus dat de totale hoeveelheid energie steeds gelijk blijft, wat er ook gebeurt.

Die eerste hoofdwet heeft een belangrijk gevolg, namelijk dat je geen perpetuum mobile van de eerste soort kunt maken. Dat is een machientje of machine of wat dan ook dat energie uit het niets kan maken. Op aarde kun je zelfs geen machine maken die zonder energietoevoer gewoon blijft draaien, zelfs zonder energie te produceren. Op aarde hebben we immers wrijving. Die wrijving zorgt ervoor dat er warmte geproduceerd wordt (denk bijvoorbeeld eens aan wat je voelt als je heel snel van een glijbaan naar beneden glijdt of als je heel snel langs een touw naar beneden glijdt) en die warmte is energie die je voor je machine kwijt bent. En je hebt bovendien nog de wrijving tussen de onderdelen van de machine. Hierbij wordt ook warmte geproduceerd. Ook op de maan, waar er geen luchtwrijving is, kun je dus geen machine maken die altijd zal blijven draaien.

Met al die dingen houdt de thermodynamica zich dus bezig. En zelfs met nog veel meer. Maar dat is voor later.

05-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

04-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

03-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

Het Zeeman-effect heeft te maken met spectraallijnen die splitsen wanneer er een magnetisch veld in de buurt is.

Elke stof heeft zijn eigen karakteristieke spectraallijnen. Die spectraallijnen beschrijven heel precies welke elektromagnetische straling de stof uitzendt. Met elke spectraallijn komt elektromagnetische straling met één welbepaalde frequentie overeen. Als het om zichtbaar licht gaat, gaat het dus om licht van één welbepaalde kleur.

Als je een magnetisch veld in de buurt houdt, dan splitst elke spectraallijn in twee nieuwe lijnen. Die twee lijnen liggen dan zodanig dat de oorspronkelijke spectraallijn precies in het midden van de twee nieuwe spectraallijnen ligt. Dat wil dus zeggen dat de stof in een magnetisch veld andere straling uitzendt dan zonder magnetisch veld.

02-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein  

01-03-1967, 00:00 geschreven door Albert Einstein