Bengt E.Y. Svensson, professor i teoretisk fysik
I år är det 100 år sedan Albert Einstein på allvar trädde in på den vetenskapliga arenan. Och han gjorde det rejält: från våren 1905 till hösten samma år skrev han i tät följd fem artiklar med forskningsresultat som var för sig skulle placerat honom högt på den vetenskapliga rangskalan och som tillsammans representerar ett kreativt mirakel.
År 1905 var Einstein 26 år fyllda. Efter några års kringflackande hade hans liv nu stabiliserats. Han hade äntligen en riktig tjänst, visserligen inte som forskare som han helst velat men i alla fall med en fast inkomst som ”expert III klassen” med ansvar för att granska ansökningar vid den schweiziska patentbyrån i Bern. Han var sedan två år gift med sin Mileva. Deras son Hans-Albert var ett år gammal.
 |
|
Albert Einstein 26 år gammal, patentbyråtjänsteman och på väg mot världsberömmelsen. |
|
BETTMANN/CORBIS/SCANPIX |
Lysande
Einsteins artiklar innebar en explosion av vetenskaplig skaparkraft vars like knappast någonsin setts, vare sig tidigare eller senare. Så kallas också året för Einsteins annus mirabilis, ’mirakelåret’. De einsteinska arbetena kom i mycket att bli inkörsporten till den vetenskapliga utvecklingen under 1900-talet, liksom till många av de tekniska tillämpningar som följt i dess spår.
Det vetenskapliga fyrverkeriet började för Einsteins del med det mest revolutionerande av hans arbeten. Det innehåller teorin för den s.k. fotoelektriska effekten, vilken senare skulle vara den upptäckt som särskilt nämns när han får 1921 års nobelpris. Grundfrågan är ljusets natur. Allt vad man tidigare visste talade för att ljus är en våg, en elektromagnetisk våg i som man trodde ett särskilt medium kallat etern (som Einstein bara några månader senare för övrigt skulle förklara för helt onödig!).
Visserligen hade den store tyske fysikern Max Planck år 1900 varit tvungen, rätt mycket mot sin vilja, att anta att ljuset sänds ut i små paket för att han skulle kunna förklara hur värmestrålningen t.ex. från ett upphettat metallstycke beror på temperaturen (värmestrålning är också elektromagnetisk strålning; den övergår ju för övrigt successivt i vanligt ljus när metallen blir tillräckligt het). Men Einstein gick ett steg vidare: han antog att ljuset i sig, alltså inte bara vid själva utsändningen, förekommer i små ”paket”. Han kallar dem för ljuskvanta; senare skulle de komma att kallas fotoner. Varje sådant ljuskvantum har en energi som är direkt given av ljusets färg, dvs. dess våglängd eller, likvärdigt, dess frekvens. Och han kunde härleda följderna av sitt antagande.
Om ljus (det måste åtminstone vara ultraviolett strålning om det ska bli någon verkan) träffar ett metallstycke så utsänds elektroner. Nu kan ett ljuskvantum bara lämna över sin energi helt och hållet, aldrig delvis, till en elektron. Det gör att även elektronernas energi kommer att bero direkt på det infallande ljusets frekvens, inte på något annat, t.ex. på ljusets intensitet. Detta är lagen om den fotoelektriska effekten. När Einstein kom med sin hypotes var sakförhållandena föga kända, men inom något decennium fick det einsteinska sambandet en lysande bekräftelse.
Här kommer alltså en dittills okänd patentbyråtjänsteman och vänder upp och ned på alla tidigare föreställningar! Ljuset består av partiklar! Knappast någon höll med honom. Men Einstein envisades och kunde senare använda hypotesen om ljuskvanta bl.a. till att ställa upp teorin för vad som i dag är lasern. Han förblev dock ganska ensam i sin ”ljuspaket”-uppfattning ända in på 1920-talet, då idén om ljuset som både våg och partikel, tillsammans med idén om att partiklar har vågegenskaper, slog igenom med den s.k. kvantmekaniken. Denna teoribyggnad utgör grunden för hur vi i dag uppfattar materia och energi, liksom för mycket av dagens teknik, inte minst den elektroniska.
Men Einstein kunde själv aldrig riktigt förlika sig med kvantmekaniken. Han, som var en av dess grundare och tidiga förgrundsgestalt, kunde i slutänden inte acceptera kvantmekanikens särdrag att vara en statistisk teori. Ända till sin bortgång 1955 vidhöll han sin uppfattning som han så kärnfullt formulerade i uttrycket ”vår Herre spelar inte tärning”.
Flytande
Men tillbaka till våren 1905. Nästa fråga som Einstein tog itu med rör atomerna. Eller snarare molekylerna: många ämnen som finns runt omkring oss består av molekyler, dvs. enheter som i sin tur är sammansatta av två eller flera atomer. Inte alla trodde då att atomerna eller molekylerna verkligen fanns. Einstein ville söka övertyga tvivlarna. Han utgick från att en given mängd vätska, t.ex. vatten, består av ett stort antal likadana molekyler som är som små, jämnstora kulor. Hur påverkas nu vätskans flytegenskaper om man löser ett annat ämne med betydligt större molekyler, t.ex. socker, i vätskan? Einstein uttryckte svaret just i antalet molekyler och deras storlek och så att forskarna direkt kunde jämföra med mätningar på sockerlösningar för att se om teorin stämmer. Vilket den visade sig göra! De samband han ställt upp har blivit oerhört viktiga inom reologin, den teknikvetenskap som behandlar bl.a. vätskors flytegenskaper. Denna einsteinska artikel – det är den som blir hans doktorsavhandling – är också ett av de mest citerade vetenskapliga arbetena alla kategorier.
I en anslutande artikel två veckor senare behandlade Einstein ytterligare ett sätt att påvisa atomer. Nu gällde det smådelar av pollenkorn i vatten som man i mikroskop kan se utföra en ständig sicksackdans, en s.k. brownsk rörelse. Denna rörelse beror, säger Einstein, på att molekylerna i vattnet oupphörligen studsar mot pollenkornen. Och han kunde precis beräkna hur pollenkornens rörelse beror på hur stora de är, hur stora molekylerna i vätskan är och på hur många molekyler som finns där. Igen en mycket stark ledtråd till slutsatsen att det måste finnas molekyler och atomer. Efter dessa övertygande argument glesnade atombetvivlarnas skara betänkligt!
Relativt sett
När Einstein grep sig an ett fysikaliskt problem utgick han ofta från en vardaglig situation. Han hade redan i ungdomsåren funderat på om man skulle kunna springa ikapp en ljusstråle. Svaret måste vara nej om de gängse teorierna var korrekta. Men vad var det egentligen som var hindret? I sitt fjärde arbete från 1905, det som lägger grunden till den speciella relativitetsteorin, kommer han med svaret: Ett föremål, vilket det vara månde, kan aldrig uppnå ljusfarten.
Det är enbart ljuset självt som rör sig med en fart av (ungefär) 300 000 kilometer per sekund. På det viset är det alltid och oberoende av hur det undersöks och av vem (hela tiden tänker sig Einstein här ljus i vakuum; ljus i ett material som t.ex. glas rör sig långsammare). Svaret ligger, enligt Einstein, inte i några invecklade matematiska resonemang utan i en enkel analys av vad som ska menas med tid när man rör sig mycket fort, vad samtidighet då är och hur vi mäter avstånd på föremål i hög fart. En direkt konsekvens, som Einstein klargjorde för sina medfysiker, blir att man inte längre behöver något medium, någon eter, för ljusvågorna att röra sig i. En annan följd av Einsteins analys är det berömda sambandet E = mc². mellan energi E och massa m (c². står för ljusets fart multiplicerad med sig själv).
Kanske är det en tröst för oss vanliga dödliga att det också för Einstein tog ytterligare ett par månader innan han kom fram till den sistnämnda slutsatsen, publicerad som det femte av det mirakulösa årets forskningsresultat. Det skulle också dröja några år innan Einsteins sätt att resonera fick fullt genomslag, men många fysiker insåg tidigt storheten i Einsteins tankar. Just den speciella relativitetsteorin är, vid sidan av atomteorin och kvantmekaniken, en av grundpelarna i dagens fysik. Den har bekräftats otaliga gånger i experiment genomförda under de mest skiftande av omständigheter.
De einsteinska upptäckterna från 1905 förändrade inte bara vår världsbild och vår uppfattning om vad materia och energi egentligen är. De innebar också början på 1900-talets tekniska omdaning. När vi i dag utnyttjar kärnkraften är det en bekräftelse på sambandet E = mc². Att vi kan se bilder på en TV-skärm har bl.a. att göra med den fotoelektriska effekten. Att en DVD-spelare med sin laser ger så fint ljud och bild har sin grund i ljusets paketegenskaper, att det finns ljuskvanta.
Så teoretiker och tänkare som Einstein var, hans verk bekräftar verkligen också tesen att det inte finns något så praktiskt som en god teori.
(Artikeln publicerad 2005-04-19)
I NE-butiken kan du nu enkelt och billigt köpa David Bodanis bok om världens mest kända ekvation.
Einstein: Miraklernas år
http://www.ne.se/rep/einstein-miraklernas-år
Nationalencyklopedin, 2012-05-27
Kopiera källangivelse
