Deze dia tonen voor de voorstelling

Everything you always wanted to know about Einstein Eric Bergshoeff Centrum voor Theoretische Natuurkunde Waarom nu een ``everything you wanted to know’’ lezing over Einstein ? 2005 is het jaar van de natuurkunde maar in het bijzonder is 2005 het jaar van Einstein Studium Generale 12 september, 2005

Twee gezichten 1905 Albert Einstein™ Er zijn 2 gezichten van Einstein Enerzijds het licht wereld vreeemde genie dat het fietsen nog niet onder de knie lijkt te hebben Of zijn tong kwajongensachtig uitsteekt naar de pers. Deze foto is gemnaakt door Art Sasse van de International News Photo Agency op 14 maart 1951 na de viering van Einstein’s 72ste verjaardag in de Princeton club. 4. Dit is de ``trademarked Einstein’’ die we van koffiemok tot T-shirt tegenkomen en die Einstein de cultstatus van een icoon geeft. 5. Maar daar is ook de andere nog onbekende Einstein in het wonderjaar 1905: een knappe jongeman van 26 jaar, net getrouwd en vader geworden die op dat moment afgewezen is door de academische wereld en aan de kost moet komen door op een patentenkantoor in Bern te werken. Het is over deze twee gezichten van Einstein dat ik het vandaag wil hebben. Albert Einstein™

Einstein’s leven tot 1905 1879: geboren in Ulm, Duitsland 1880: verhuist naar München 1888: gymnasium 1894: familie verhuist naar Milaan 1. 2. 3. 4. Luitpold Gymnasium 5. 1879: Edison vondt gloeilamp uit; 1889: Straatverlichting Schwabing daarna alleen grote firma’s zoals Siemens, AEG, en Philips. Einstein verhuist niet mee, gaat later toch naar Milaan en maakt gymnasium niet af. Zakt voor toelatingsexamen ETH. 6. Zakt voor toelatingsexamen ETH. ETH staat voor Eidgenossische (=federale) Technische Hochschule., niet een klassieke universiteit maar een soort Delft van Zwitserland. Het is opgericht in 1855 en bestaat nu dus 150 jaar. Maakt middelbare school af in Aarau waar hij inwoont bij een bevriende familie. 7. in het 1896 lukt het hem wel tot de ETH toegelaten te worden. 8. 9. ETH, Zürich 1896: 1898: Mileva Maric 1900: onderwijzer wiskunde en natuurkunde

, baan patentenbureau Bern 1904: geboorte Hans Albert 1902: geboorte van Lieserl , baan patentenbureau Bern Relatie met Mileva was niet geaccepteerd. extra probleem: Mileva was zwanger en Einstein had geen echte baan! Gelukkig lukte het Einstein om een baan op het patentenbureau in Bern te krijgen. Patentenbureau had behoefte aan natuurkundige. 4. Nu stond niets meer een huwelijk in de weg! 5. 6. Wel afgestudeerd maar geen baan in de akademische wereld wat Einstein wel ambieerde. Nog steeds geen proefschrift af! Einstein was niet favoriet bij zijn hoogleraren. Volgde weinig colleges. Einstein had zich wel al met onderzoek bezig gehouden. Hij had al al een aantal artikelen gepubliceerd. Hoe komt het dat juist iemand die niet in de akademiksche wereld staat 5 meesterwerken schrijft? Voordeel geen contacten met de academische wereld? 1903: huwlijk Einstein en Maric 1905: annus mirabilis

1905: Annus Mirabilis (1) maart: licht bestaat uit deeltjes (2) april: moleculaire afmetingen (3) mei: moleculen zien We zij nu bij het annus mirabilis aangekomen: wat waren precies die meesterwerken en waar gingen ze over? Ik wil deze 5 meesterwerken nu eerst in het kort bespreken. Het eerste artikel houdt zich bezig met de vraag: Bestaat licht uit deeltjes of golven? De overgrote meerderheid dacht in 1905 dat licht uit golven bestond. Echter, een paar jaar eerder was aangetoond dat licht dat op een metaal valt elektronen uit dat metaal weg kan schieten. Dit heet het foto-elektrische effect (1887, Hertz, later Lenard). Zowel golven als deeltjes kunnen elektronen uit een metaal wegschieten. Einstein liet zien dat de details van dit effect alleen verklaard kon worden als je aannam dat licht uit deeltjes bestond, hij noemde deze lichtdeeltjes fotonen. bij golven hangt het aantal uitgeschoten elektronen alleen af van de intensiteit van het licht. bij deeltjes hangt dit aantal af van de kleur, i.e. de frequentie. Millikan (1913-1914) heeft later de door Einstein voorspelde eigenschappen experimenteel aangetoond. Einstein heeft hiervoor in 1922 de Nobelprijs gekregen. Nawoord: bestaat licht nu uit deeltje of uit golven? Het huidige inzicht is dat deze vraag te beperkt is: licht is iets dat zich onder bepaalde omstandigheden als golven gedraagt maar onder andere omstandigheden, zoals bij het foto-elektrisch effect het geval is, als deeltjes. De volgende 2 artikelen houden zich bezig met de vraag: is materie continu of is het opgebouwd uit atomen of moleculen? Dit is nu vanzelfsprekend maar was in 1905 nog controversieel. Dit had te maken met het feit dat moleculen nog nooit onder de microscoop gezien waren. Einstein gaf in het april artikel een manier aan om de afmetingen van die moleculen te bepalen, men had geen goed idee hoe groot ze waren, aangenomen dat ze bestonden. Hij deed dit door te kijken naar de manier waarop een opgeloste stof zich in een oplosmiddel verspreidt. Neem bijvoorbeeld een druppel inkt en laat die in een glas water vallen. De inktdruppel zal zich na enige tijd door het hele glas verspreid hebben. De snelheid waarmee dit gebeurt heet de diffusiesnelheid. Einstein leidde nu een formule af die een verband gaf tussen de diffusiesnelheid en de grootte van de inktmoleculen: bij iedere diffusiesnelheid hoort een bepaalde grootte van de moleculen. Nu is de diffusie-snelheid iets wat je kunt meten en zo kun je dus door van Einstein’s formule gebruik te maken, de bijbehorende molecuulafmeting bepalen. In het mei artikel toonde hij aan dat je indirect het effect van moleculen kunt zien via de zogeheten Brownse beweging. 5. De Brownse beweging is genoemd naar de botanicus Robert Brown die voor het eerst onder de mikroskoop ontdekte dat kleine deeltjes, opgelost in een vloeistof, kleine willekeurige zigzag bewegingen uitvoerden. Dit ziet u in de linkerkant van de figuur. In die tijd dacht men dat dit te maken had met het feit dat er leven in het opgeloste deeltje zat. Later kwam men er achter dat dit niet waar kon zijn want ook opgeloste zand-deeltjes vertoonden dit zigzag gedrag. Einstein liet zien dat deze Brownse bweweging verklaard kon worden door aan te nemen dat de vloeistof waarin het deeltje opgelost is bestaat uit moleculen, onzichtbaar voor de mikroskoop van Brown, die voortdurend heen en weer bewegen en door botsingen het opgeloste deeltje een zigzagbeweging laten uitvoeren. Dit is wat u ziet aan de rechterkant van de figuur. Artikelen (2) en (3) zijn de meest geciteerde artikelen van Einstein, meest conventioneel maar ook meest praktisch: aannemer: zand deeltjes in cement, luchtvervuiling: rookdeeltjes in de lucht. De laatste 2 artikelen zijn het meest bekend. Het juni artikel gaat over de speciale relativiteitstheorie, het september artikel is geschreven als een soort appendix bij het juni artikel en bevat voor het eerst de beroemde formule $E=mc^2$. Door bekendheid niet meest geciteerd. Omdat ze het meest bekend zijn wil ik nu iets dieper ingaan op de speciale relativiteitstheorie en de formule $E=mc^2$ maar voordat ik dit doe nog even 2 plaatjes: dit is het wetenschappelijke tijdschrift waarin Einstein zijn artikelen publiceerde, u ziet dat Duits de voertaal is en dit is de kamer in Bern waarin Einstein zijn onderzoek deed. (4) juni: speciale relativiteitstheorie (5) september: E= mc2

speciale relativiteitstheorie géén zwaartekracht relatief: vereist specificatie ten opzichte van wat ? snelheid is relatief lichtsnelheid? Michelson-Morley (1887) Ik zal me in deze lezing beperken tot de 2 meest bekende artikelen: die van de speciale relativiteitstheorie en die van de formule $E=mc^2$. waarom speciaal: deze theorie is een speciaal geval van een meer algemenere theorie die Einstein later ontworpen heeft. Het speciale zit hem erin dat deze theorie alleen maar toegepast kan worden in de afwezigheid van de zwaartekracht. De algemene situatie dat de zwaartekracht niet verwaarloosd kan worden heeft Einstein veel later behandeld in de algemene relativiteitstheorie. 4. waarom relatief: in de natuurkunde houden we ons vaak bezig met de waarde van een fysisch grootheid zoals bijvoorbeeld: wat is de lengte van deze tafel, wat is de massa van dit object of hoe groot is de temperatuur van deze vloeistof? 5. We noemen zo’n grootheid relatief als de waarde bepaling de specificatie vereist: ten opzichte van wat? Een voorbeeld van een relatieve grootheid is het begrip snelheid. Stel je komt een verkeersbord tegen dat zegt: de maximum snelheid bedraagt 50 km per uur. Het wordt vaak niet gezegd maar deze uitspraak vereist de specificatie t.o.v. het wegoppervlak en niet bijvoorbeeld t.o.v. de auto voor mij in het verkeer. Hoe zit het met de lichtsnelheid: is deze ook relatief? Het was lang niet duidelijk of licht wel een eindige snelheid heeft. In de 19e eeuw was men voor het eerst in staat om de lichtsnelheid vrij nauwkeurig te bepalen. 8. Nu gebeurt er iets geks: Michelson en Morley vonden dat onder alle omstandigheden de lichtsnelheid constant was, met andere woorden: het haalt niet uit of je stilstaat of tegen het licht in beweegt, je meet altijd dezelfde waarde! 9. De lichtsnelheid is absoluut! 10. Dit is ongeveer 8 keer de aarde rond in 1 sekonde! c staat voor celeritas Het geniale van Einstein was dat hij het constant zijn van de lichtsnelheid als een vast gegeven nam en de consequenties doorrekende. Einstein liet zien dat een van de consequenties was dat … De lichtsnelheid is absoluut ! c = 300.000 kilometer/seconde

Tijdsvertraging Snelheid = afstand tijd Effecten zijn erg klein dat er tijdsvertraging op kan treden. de meesten van jullie weten wellicht dat de tijd iets met de speciale relativiteitstheorie te maken heeft zoals ook blijkt uit deze zomertijd aankondiging eerder dit jaar in het Dagblad van het Noorden. 3. Dit komt doordat er een verband is tussen snelheid en tijd via de formule snelheid is afstand gedeeld door tijd. 4. Om de tijd te meten werkte Einstein met een zogeheten lichtklok. In tegenstelling tot de koekkoksklok werkt deze ook buiten de aarde. We kijken eerts naar de linkerkant van de figuur. De rode stip stelt een persoon voor, laten we zeggen Theo. De lichtklok van Theo bestaat nu uit Theo zelf, een zaklamp die hij in zijn hand heeft en een groen spiegeltje dat zich op een vaste afstand van hem bevindt , laten we zeggen 5 cm. Theo doet nu de zaklamp aan het uit waardoor een lichtstraal zich naar de spiegel toe beweegt, teruggekaatst wordt door de spiegel en weer bij Theo terugkomt. Deze beweging van het licht is het analogon van het heen en weer gaan van de slinger in de koekoksklok en definieert een vaste tijdseenheid, de lichtsekonde geheten. Nu stelt de blauwe stip de vriendin van Theo voor, Thea geheten en zij heeft haar eigen tijdsklok met bijbehoren groen spiegeltje op 5 cm aftsand van Thea. Als Theo naar Thea’s tijdklok kijkt zal hij concluderen dat het licht in haar klok precies dezelfde afstand aflegt en dus dat Thea’s klok precies even hard loopt. Stel nu dat Thea naar rechts van Theo af beweegt. Theo meet met zijn lichtklok dezelfde lichtseconde als tevoren. Maar laten we Theo nu naar Thea’s tijdklok kijken. Theo ziet dat gedurende 1 lichtseconde op zijn klok het licht op Thea’s klok een langere afstand af moet leggen: schuin op en neer is langer dan recht op en neer. Kijken we nu naar de formule snelheid is afstand gedeeld door tijd en gebruiken we dat de lichtsnelheid altijd hetzelfde is, dan zien we dat dit alleen kan als de tijd groter wordt. M.a.w. Theo concludeert dat er meer tijd zit tussen het heen en weer gaan van de lichtstraal op Thea’s lichtklok dan op zijn eigen klok, m.a.w. de tijd op Thea’s klok verloopt trager! Dit is de beloofde tijdsvertraging: hoe sneller je beweegt hoe langzamer de tijd verloopt. Je blijft langer jong als je sneller beweegt! 6. In de dagelijkse praktijk zijn de effecten erg klein. Dit komt omdat de snelheden waarmee wij in het dagelijks leven te maken hebben altijd veel kleiner zijn dan de lichtsnelheid. Vergelijk met mier en kerktoren. Wij vertonen mierengedrag met onze snelheden. Effecten zijn wel gemeten: Boeing 707. Ook belangrijk voor experimenten op CERN. Theorie eerst, overtuigende experimentele verificatie van tijdsvertraging is pas veel later gekomen. Effecten zijn erg klein maar meetbaar !

E = mc2 E staat voor Energie Energie is behouden m staat voor massa massa is behouden Einstein: alleen som van energie en massa is behouden c2 is een omwissel factor De beroemde formule $E=mc^2$ komt voor in het september artikel dat slechts een paar bladzijdes bevat en een soort toevoegsel is bij het speciale relativiteitsartikel. Wat betekent deze formule? 2. E staat voor energie. Het begrip energie werd vooral belangrijk toen tijdens de industriele revolutie in de 19e eeuw verschillende vormen van energie in elkaar overgevoerd werden. Bij een lokomotief wordt bijvoorbeeld de verbrandingsenergie van de steenkolen omgezet in bewegingsenergie van de trein. Men gebruikt voor al deze verschillende vormen van energie verschillende eenheden net zoals tot voor kort de Europese landen verschillende eenheden in het betalingsverkeer gebruikten. Voor al deze verschillende eenheden heb je omwisselfactoren nodig net zoals je zegt dat 1 Engelse pond ongeveer 1 ½ euro bedraagt. 3. De algemene regel was: energie kan wel van gedaante veranderen maar is altijd behouden. 4. m staat voor massa, bijvoorbeeld de massa van 1 liter water is 1 kilogram 5. Ook massa is behouden, dacht men 6. Einstein stelde: alleen som van energie en massa is behouden m.a.w. 7. Massa en energie zijn inwisselbaar met $c^2$ als geweldig grote omwisselfactor. 8. Voorbeeld: hoeveel jaar … Antwoord: 100.000 jaar! 9. Einstein leidde alleen de formule af, maar zijn energie en massa ook daadwerkelijk uitwisselbaar? Een gemiddeld huishouden verbruikt ongeveer 3,3 Mega Watt uur per jaar volgens het Nibud 1 Watt uur is de hoeveelheid stroom die in 1 uur geproduceerd kan worden door 1 Watt aan capaciteit volledig in te zetten. 1MWh = 106 £ 1 J/s £ 3600 s = 3,6 £ 109 J Een gemiddeld huishouden verbruikt dus 3,3 £ 3,6 109 J = 1,2 1010 J We nemen aan dat het suikerklontje 10 gram weegt. De formule E= mc2 geeft dan: E = 10 £ 10-3 £ 9 £ 1016 » 1015 J Je kunt een gemiddeld huishouden dus ongeveer 100.000 jaar van stroom voorzien! Hoeveel jaar kun je een gemiddeld huishouden van stroom voorzien met 1 suikerklontje? Energie en massa zijn uitwisselbaar ?

E = mc2 na 1905 Hiervoor moeten we de geschiedenis van $E=mc^2$ na 1905 volgen. 2. Men had inmiddels door dat een atoom bestaat uit een harde kern, de nucleus, waaromheen de elektronen vliegen. De kern, ook wel nucleus genoemd, op zijn beurt bestaat uit 2 soorten deeltjes: de neutroneen en de protonen. de meeste reakties op aarde die energie produceren zijn chemische reacties die te maken hebben met de elektronen. Alleen kernreacties, dit zijn reacties waarbij iets met de kern gebeurt, kunnen een uitwisseling tussen energie en massa tot gevolg hebben. Voorbeeld; kernsplitsing Voorbeeld: radioactieve straling, Marie-Curie. 3. Een kettingreactie van kernsplitsingen (Uranium) kan leiden tot een atoombom. In 1946 werden een reeks kernproeven op de Bikini atol in de stille oceaan gehouden. De kranten stonden er vol van. Tegelijkertijd werd er een nieuw niets verhullend zwemstukje ingevoerd. Ook daar stonden de kranten in 1946 vol van. Het een met het ander combinerend werd het nieuwe zwemstukje al gouw bikini genoemd. Einstein is dus indirect ook verantwoordelijk voor het woordje Bikini. 4. Kernfusie kan leiden tot de energie van de toekomst 5. Kernreacties zijn ook de bron van de zonne-energie (het zijn echt geen steenkolen die daar branden op de zon) en zijn de gewoonste zaak van de wereld bij allerlei processen in het heelal, zoals bijvoorbeeld de oerknal. We lopen nu op de gebeurtenissen vooruit. Wat was de directe impact van Eintein’s annus mirabilis?

Einstein: 1905-1919 1906: PhD bij ETH in Zürich 1909: buitengewoon hoogleraar in Zürich 1911: hoogleraar in Praag 1912: hoogleraar in Zürich 1914: hoogleraar in Berlijn Laten we Einstein volgen vanaf het annus mirabilis tot het jaar 1919. In eerste instantie gebeurde er helemaal niets en bleef Einstein gewoon werken bij het patentenbureau in Bern. Dit overkomt iedere wetenschapper: je denkt iets moois gevonden te hebben maar er gebeurt niets. Pas veel later kom je er achter of een idee aanslaat. 2. Het artikel over de moleculaire afmetingen leidde uiteindelijk tot een proefschrift. Ondertussen raakte Einstein toch langzaam aan bekend in de academische wereld. De mensen zochten hem thuis op in Bern. 3. Eindelijk wist Einstein tot de akademische wereld door te dringen: hij wordt buitengewoon hoogleraar in Zurich. 4. Einstein klimt omhoog in de hierarchie. 5. 6. Hij wordt directeur van de natuurkunde afdeling van het Kaiser Wilhelm instituut. 7. Ook wetenschappelijk gaat het niet slecht: Einstein laat zien hoe de relativiteitstheorie in de aanwezigheid van zwaartekracht werkt. 8. Prive gaat het minder. Mileva heeft nooit naar Berlijn willen gaan. Een scheiding volgt. Hij trouwt met zijn nicht Elsa Lowenthal die hem verzorgt na een ernstige ziekte door uitputting. Einstein zorgde slecht voor zichzelf. 9. De expeditie van Eddington bevestigt de algemene relativiteitstheorie. Dit is een keerpunt in het leven van Einstein. Tot nu toe was Einstein alleen bekend in de academische wereld. Hierna zou zijn naam ook tot het grote publiek door dringen. 1915: algemene relativiteitstheorie 1919: scheiding van Mileva , huwelijk met Elsa Löwenthal 1919: expeditie van Eddington

Algemene Relativiteitstheorie 1919 2005 Einstein had via de algemene relativiteitstheorie in 1915 laten zien hoe de zwaartekracht werkt. Een van de voorspellingen was dat licht afgebogen wordt door de zon. Dit betekent dat er een verschuiving in de positie van sterren optreedt die je vlak langs de zon ziet staan. Om blindheid te voorkomen kun je dit het best tijdens een zonsverduistering doen 3. In 1919 was er zo’n zonsverduistering en de Engelsman Eddington organiseerde een expeditie naar het eilandje Principe in de golf van Guinee vlak voor de kust van Kameroen. N.B. de eerste wereldoorlog was net afgelopen en het contact tussen de Duitser Einstein en de Engelsman Eddington verliep via onze landgenoot Lorentz uit het neutraal gebleven Nederland. De experimentele verificatie van de algemene relativiteitstheorie was wereldnieuws en het begin van Einstein’s wereldroem. Je ziet hier het telegram met het goede nieuws dat Eddington aan Einstein stuurde. Hoe komt dit: (1) Eddington had een goed gevoel voor dramatiek en had goede contacten met de media (2) na de verschrikkelijke eerste wereldoorlog was er iets goeds tot stand gekomen door een samenwerking tussen een Engelsman en een Duitser, twee voormalige vijanden. Analyse achteraf laat zien dat de metingen van Eddington niet overtuigend waren. Een betrouwbare verificatie gebeurde pas veel later. Een interessante toepassing van de algemene relativiteitstheorie vindt plaats in het moderne GPS systeem. De ART geeft correcties van de orde van een meter.

Einstein: 1919-1955 1922: Nobelprijs 1933: emigratie naar Amerika: Princeton 1936: Elsa overlijdt We volgen nu in het kort Einstein tot aan zijn dood in 1955. Wetenschappelijk heeft hij niet meer de prestaties van 1905 en 1915 herhaald. Wel begon vanaf 1919 zijn opmars in de roem. Dit was eigenlijk de Nobelprijs van 1921 3. De Nazi’s grepen de macht. 4. Elsa heeft niet lang geleefd in Amerika 5. Einstein was niet betrokken bij de ontwikkelingen van de atoombom. Zijn naam werd gebruikt om de Amerikaanse politiek wakker te schudden. 6. Einstein overlijdt en wordt gecremeerd. 1939: brief Roosenvelt 1955: Einstein overlijdt

Einstein het icoon Zweistein van tot My credit card cannot Einstein had bij zijn dood de cultstatus van een icoon gekregen. 2. Dit is het tweede gezicht van Einstein dat we tegenkomen van koffiemok tot T-shirt. 3. Een meer recent voorbeeld is het energiedrankje Zweistein dat je bij de plaatselijke Albert Hein kunt kopen. 4. Ik kwam laatst een gedeelte van de formule $E=mc^2$ tegen op mijn nieuwe ABN-AMRO credit card. My credit card cannot be shown as in the presentation!

Man van de eeuw In 2000 is Einstein zelfs tot de man van de eeuw benoemd door het Time magazine. Vanwaar deze immense populariteit? Dit overkomt een wetenschapper zelden. De directe aanleiding van zijn wereldfaam in 1919 heb ik al genoemd. Ik denk dat er 2 redenen zijn die deze roem verder uitgebreid hebben: Einstein heeft zijn belangrijkste ideeen door puur nadenken verworven: eerst was er de theorie later kwam pas het experiment. dit spreekt sommige mensen aan en past bij het eerste gezicht van Einstein. Zo gaat het overigens lang niet altijd in het onderzoek. Een bekende exponent van de omgekeerde houding, eerst het experiment dan de theorie was onze landgenoot en voormalig Groninger Kamerlingh Onnes met zijn uitspraak: Eerst meten dan weten Einstein had ook een persoonlijkheid die de mensen aansprak: prettig gestoord en onconventioneel! Dit past mooi bij het tweede gezicht van Einstein. Ik denk dat dit de elementen zijn die verklaren dat Einstein de cultstatus van een icoon verkregen heeft. Wel, met deze analyse besluit ik deze Einstein lezing!