Einstein als experimentator

IN 2005 IS HET honderd jaar geleden dat Albert Einstein zijn annus mirabilis beleefde. De Zwitser publiceerde in 1905 in Annalen der Physik (toen het toptijdschrift voor het Duitse taalgebied) vier baanbrekende artikelen, waaronder zijn speciale relativiteitstheorie en het verband E = mc² tussen energie en massa, en voltooide zijn proefschrift (over de grootte van moleculen). Einstein werd dat jaar 26 en werkte als `expert derde klasse' op een Berns octrooibureau.

Scientific American kon niet op 2005 wachten en heeft deze maand een special issue onder de titel `Beyond Einstein'. Aan bod komen theoretische kwesties als Einsteins befaamde kosmologische constante en de versnelde uitdijing van het heelal, de snaartheorie, de speurtocht naar schendingen van de relativiteitstheorie en de status van de quantumtheorie, alles in het licht van de nieuwste ontwikkelingen. Maar Peter Galison, wetenschapshistoricus aan Harvard University, schrijft over Einstein als experimentator. Een onderbelicht aspect en juist daarom interessant.

Het experimentele uitstapje speelde de eerste maanden van 1915, toen Einstein zat te zwoegen op de uiteindelijke formulering van zijn grote theorie van de zwaartekracht. Hij was toen net benoemd in Berlijn. Bij zijn proeven, die over het wezen van magnetisme gingen, werkte Einstein samen met de Nederlander Wander Johannes de Haas. Die was in 1912 na zijn promotie bij Kamerlingh Onnes in Leiden naar Berlijn afgereisd, waar Henri du Bois een magnetisch laboratorium leidde. Na een jaar kreeg De Haas een aanstelling als assistent in de Physikalisch-Technische Reichsanstalt, dat onder andere als ijkinstituut fungeerde. Einstein was daar gastmedewerker en op instigatie van Lorentz, die bij Einstein informeerde of hij soms iets voor zijn schoonzoon kon betekenen, kwam het tot samenwerking.

Het initiatief tot de proeven ging uit van Einstein. Die was enthousiast: ``Ik krijg op mijn oude dag nog schik in experimenteren'', schreef hij in februari aan zijn boezemvriend Michele Besso. De hypothese was dat het magnetisme van een staafje weekijzer in wezen dezelfde oorzaak had als het magnetisme van een spoel: kringstromen. Dat had Ampère in 1820 al geopperd, maar experimenteel bewijs ontbrak. Bovendien kleefden aan kringstroompjes op atomaire schaal niet geringe bezwaren. Zo leidde in de elektronentheorie van Lorentz ronddraaiende lading onherroepelijk tot straling en dit `weglekken' van energie tastte de stabiliteit van het atoom aan. In 1913 had Bohr zijn atoommodel gepubliceerd, met elektronen in vaste banen. Er stond dus voor Einstein en De Haas veel op het spel.

De proef steunde op het volgende idee. Als in een atoom lading ronddraait, is het op te vatten als een tol. Wanneer in een staafje weekijzer die tolletjes opeens allemaal gericht worden, zeg: rechtsom draaien, dat moet volgens de wetten van de mechanica het staafje als geheel ter compensatie linksom gaan draaien. In de praktijk hingen Einstein en De Haas het staafje weekijzer aan een glazen ophangdraad in een spoel waardoor een wisselstroom liep (zie de figuur). Ze richten de proef zo in dat resonantie optrad: de torsiefrequentie van het staafje als gevolg van het `tolcompensatieeffect' paste precies bij de eigenfrequentie van de ophanging (denk aan de resonantie die kan optreden als een bataljon soldaten over een brug marcheert). De proef was simpel in opzet, maar in de uitvoering lagen fouten op de loer: het aardmagnetisme, inhomogeen veld van de spoel, etc. Niettemin slaagden beide heren in hun opzet en was het Einstein-De Haaseffect een feit. April 1915 werd een publicatie ingeleverd bij de Deutschen Physikalischen Gesellschaft en keerde De Haas vanwege de oorlog terug naar Nederland.

De grootte van dit gyromagnetisch effect, aangegeven met g, klopte wonderwel met Einsteins berekeningen. Alleen deugden die berekeningen niet omdat ze quantumzaken, met name de spin van het elektron, buiten beschouwing lieten. Einstein en De Haas vonden g = 1,02 (ze hadden 1 voorspeld), maar het had ongeveer 2 moeten zijn. Op de Solvay-conferentie van 1921 (een bijeenkomst van topfysici in Brussel) biechtte De Haas op dat hij en Einstein in 1915 bij een tweede serie metingen g = 1,45 gevonden hadden, maar die uitkomst gemakshalve hadden verzwegen.

Overigens was Einsteins experimentele belangstelling met het vertrek van De Haas niet voorbij: in 1916 publiceerde hij een eenvoudiger proefopzet voor het Einstein-De Haaseffect. Datzelfde jaar werd hij benoemd in het curatorium van de Reichsanstalt, in welke functie hij zich actief bemoeide met het plannen en opzetten van experimentele projecten.

scientific american, september 2004. special issue: beyond einstein. prijs: €7,25.

    • Dirk van Delft